Analisi termodinamica di cicli di potenza a fluido reattivo

This thesis analyzes an electric power plant based on a thermodynamic cycle with a reacting working fluid. Within this power cycle, thermodynamic and chemical processes happen simultaneously, hence the name “thermo-chemical engine”. The considered reactive mixture is composed of nitrogen tetroxide (N_2 O_4) and the molecules produced by its dissociation (namely NO_2,NO, and O_2). Due to its high critical temperature, the introduction of nitrogen tetroxide allows the condensation of the working fluid. The performance of the thermodynamic cycle with the reactive mixture is compared to that of systems using inert fluids. The latter are supercritical CO_2 Bryton cycles. The working fluid with the best performance is a mixture of N_2 O_4 and CO_2. Moreover, a specific recompression technique is presented. It allows the efficiency of the reactive fluid plant to exceed that of the CO_2 cycle by 1%. Ultimately, it is stated that the choice of the best plant configuration depends on the type of available heat source. Specifically, if the heat source allows the working fluid to reach temperatures above 500 °C, the most efficient plant is the one with reactive fluid. Conversely, supercritical CO_2 cycles are preferable with low-temperature heat sources.

In questa tesi viene analizzato un impianto per la produzione di energia elettrica basato su un ciclo termodinamico che opera con un fluido di lavoro reattivo. Questa macchina si basa su un ciclo di potenza al cui interno avvengono processi termodinamici e chimici simultanei, da cui il nome “motore termo-chimico”. La miscela reattiva considerata è costituita da tetrossido di azoto (N_2 O_4) e dalle molecole derivanti dalla sua dissociazione (quali NO_2 ,NO e O_2). Per via dell’elevata temperatura critica, l’introduzione della molecola N_2 O_4 consente la condensazione del fluido di lavoro. Le prestazioni del ciclo termodinamico a fluido reattivo vengono confrontate con quelle relative a impianti a fluido inerte. Quest’ultimi sono cicli Brayton supercritici a CO_2. Il fluido di lavoro con le migliori prestazioni è risultato essere una miscela di N_2 O_4 e CO_2. Inoltre, viene presentata una particolare tecnica di ricompressione che consente al rendimento dell’impianto a fluido reattivo di superare dell’1% il rendimento del ciclo a CO_2. In ultima analisi, si afferma che la scelta della migliore configurazione d’impianto dipende dalla tipologia di fonte termica a disposizione. Nello specifico, se si dispone di una fonte termica che consente al fluido di lavoro di raggiungere temperature superiori a 500 °C, l’impianto più efficiente risulta essere quello a fluido reattivo. Contrariamente, i cicli supercritici a CO_2 sono preferibili con fonti termiche a bassa temperatura.