CO2-based mixtures for transcritical cycle in CSP applications

This thesis focuses on the chances of blending some particular species to pure CO2 in order to form a binary mixture to be used in closed cycles for CSP applications. All the efforts are centred into having a mixture with high critical temperature so that a transcritical cycle become possible if an air condenser would be employed in hot desertic environments where ambient temperature can be around 30 °C. In order to do that it is fundamental that the CO2-based binary mixture have at least critical temperature around 7080°C: this way it becomes possible to pump the fluid in the liquid region and employ a simplified plant layout for the transcritical cycles. After the pump only a recuperator, a primary HX, a turbine and a condenser are employed. In order to completely model the cycle, at least from a first law perspective, an equation of state must be used: among the many, a particular version of PR EoS is chosen; its results are compared with PR results and, if possible, with NIST’s ones. The thermodynamic quantities from the cubic EoS chosen are computed in MATLAB by numerical integration of residuals and by the reference software with analytical integration. Results on thermodynamic quantities of known mixtures from PR and NIST are compared: all the sources of errors from cubic EoS are hence scrutinised, especially at bubble point and in the VLE region, where the uncertainty from cubic EoS are most significant. After a method has been built, the particular C6F6+CO2 mixture is considered at this point. The kij is computed fitting VLE data from literature, since no data on kij were yet available. The whole cycle is studied, and its efficiency computed: in particular the full design of the recuperator (PCHE) and the turbine is proposed. For the PCHE analysis, the Gnielinski correlation was used in order to fully characterize the overall heat transfer coefficient, the dimensions of the PCHE and its pressure drops. In order to design the turbine, the software AXTUR was used: it is described how, for these heavy CO2-based mixtures, a high number of stages may be employed if the rotational speed and the mass flow rate of the cycle is predefined at certain conditions. For a cycle of 100MW of gross power with 82% molar fraction of CO2, the pressure losses in the PCHE may vary between 0,05 and 0,1 MPa, while the turbine isentropic efficiency can reach ~92%. Fixing all the remaining cycle’s characteristics at a state of the art conditions, the maximum gross efficiency of the CO2 +C6F6 cycle is found to be around 48% if TIT=700°C, a value comparable with other CO2-based mixture analysed in literature for the same purposes. In the end, a sensitivity analysis on the cycle efficiency is carried out varying one by one each assumption made on the cycle’s characteristics.

Questa tesi si focalizza sulla possibilità di miscelare particolari composti puri con la CO2 per formare una miscela binaria da usare in cicli chiusi per applicazioni CSP. Gli sforzi si concentrano sulla possibilità di avere una miscela con alte temperature critiche così che si possa costruire un ciclo transcritico con condensatore ad aria anche nelle aree desertiche più calde dove le temperature sono circa 30/40°C. Per fare ciò è importante che la temperatura critica della miscela sia attorno ai 70/80°C, in funzione della miscela: in questo modo è possibile pompare la miscela invece che comprimerla in un compressore a gas, e semplificare lo schema d'impianto. Per caratterizzare l'efficienza di un ciclo bisogna sfruttare un'equazione di stato: fra le tante è consigliabile usare le Peng Robinson. Attraverso l'integrazione numerica dei residui è possibile confrontare, su miscele note, i valori di NIST, di ASPEN e della PR modellata in MATLAB: così vari cicli possono essere costruiti e confrontati. Tutte le fonti di errore nelle valutazioni termodinamiche fatte dalle PR sono messe a risalto, soprattutto nella regione liquida e bifase. Dopo aver costruito un metodo, è stata analizzata la miscela CO2+C6F6. Da dati VLE di letteratura è stato manualmente ottimizzato il kij per le Peng Robinson e quindi l'efficienza del ciclo è stata calcolata grazie alla PR di ASPEN. Una volta scoperta la frazione molare ottimale per il rendimento del ciclo, si è fatto un dimensionamento della turbina e del PCHE. Per il PCHE si è usata la correlazione di scambio termico di Gnielinski e per la turbina si è usato il software 1D AXTUR. Le perdite di carico per entrambi i lati del PCHE sono state calcolate, insieme alle aree di scambio e le lunghezze dei canali del PCHE. Per la turbina, una dettagliata analisi porta a dire che con un elevato numero di stadi si riesce ad ottenere efficienze isentropiche di 92%. Infine, fissando tutti i parametri del ciclo a valori ragionevoli, si possono calcolare le efficienze di ciclo usando anche le performances dei due componenti appena dimensionati: i valori di efficienza lorda di ciclo sono calcolabili in circa 48% per TIT di 700°C, un valore comparabile alla CO2 pura e ad altre miscele basate su CO2 per le stesse applicazioni, ma con il vantaggio di avere schemi di impianto semplificati rispetto ai cicli ai cicli supercritici a CO2.