Tesis:
A new concept in thermal engineering optimization : the pericritical cycle with multi-heating and its application to concentrating solar power
- Autor: GONZÁLEZ PORTILLO, Luis Francisco
- Título: A new concept in thermal engineering optimization : the pericritical cycle with multi-heating and its application to concentrating solar power
- Fecha: 2019
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/56492/
- Director/a 1º: MUÑOZ ANTÓN, Javier
- Resumen: Este trabajo lleva a cabo un análisis detallado del potencial que tiene la integración de ciclos pericríticos (ciclos con el compresor trabajando en las proximidades del punto crítico) en plantas de energía solar de concentración. Una coherente integración entre estos elementos da como resultado una planta compuesta por un novedoso ciclo termodinámico, bautizado como ciclo de calentamiento múltiple, y un nuevo tipo de campo solar. Las características específicas del ciclo de calentamiento múltiple encajan perfectamente con las características de la energía solar de concentración, lo que da como resultado un sistema con un alto potencial para reducir los costes de producción de electricidad en plantas de este tipo de energía. El ciclo de calentamiento múltiple se presenta como solución para reducir las altas irreversibilidades de la regeneración en ciclos pericríticos. Mientras que el calor en ciclos regenerativos simples se suministra por medio de una única fuente de calor, en ciclos de calentamiento múltiple parte de ese calor se sustituye por otros suministrados a menor temperatura por fuentes de calor adicionales. La eficiencia exergética de los ciclos de calentamiento múltiple es mayor que la de los ciclos regenerativos simples debido al menor coste exergético de sus fuentes adicionales de calor. Los ciclos pericríticos regenerativos simples y los ciclos de calentamiento múltiple se estudian mediante un detallado y sistemático análisis termodinámico. La definición de estos ciclos se realiza mediante propiedades termo-físicas reducidas con el propósito de generalizar la caracterización dejando de lado el fluido. El análisis de la región pericrítica muestra la especial relevancia de la llamada línea de discontinuidad, que separa el diagrama termodinámico en dos regiones: la líquida y la gaseosa. El rendimiento del ciclo es caracterizado en función de la posición en el diagrama termodinámico del compresor con respecto a la línea de discontinuidad y a las condiciones del ciclo. La mayor eficiencia exergética de los ciclos de calentamiento múltiple con respecto a los ciclos simples se produce a costa de un mayor tamaño de los intercambiadores de calor necesarios durante la regeneración. El volumen de los intercambiadores de calor se calcula utilizando intercambiadores de calor de circuito impreso. El uso de CO2 como fluido de trabajo muestra que los ciclos de enfriamiento húmedo alcanzan mayor eficiencia exergética con intercambiadores de calor más pequeños que los ciclos de enfriamiento seco. La integración de los ciclos de calentamiento múltiple en centrales de energía solar de concentración requiere el diseño de un nuevo tipo de campo solar para acomodar la radiación solar incidente en el receptor a los requisitos del calentamiento múltiple. Este nuevo campo solar tiene una configuración similar a la configuración de una torre solar, pero con el receptor y los heliostatos divididos en dos secciones, cada una con diferentes requisitos en relación de concentración, temperatura del fluido y flujo de calor absorbido. Este nuevo campo solar alcanza una mayor eficiencia que una torre solar estándar, pero con menores requisitos térmicos. Un análisis tecno-económico muestra que un sistema con ciclo de calentamiento múltiple y el nuevo campo solar no solo tiene un alto rendimiento, sino que también posee un gran potencial para reducir los costes de las plantas de energía solar de concentración. ----------ABSTRACT---------- This work performs a detailed analysis of the integration of pericritical cycles (cycles with the compressor working in the surroundings of the critical point) in Concentrating Solar Power plants. A coherent integration between these elements results in a plant composed of a novel thermodynamic cycle layout, called multi-heating cycle, and a new type of solar field. The specific features of multi-heating cycles fit perfectly with the characteristics of concentrating solar energy, which results in a system with high potential to reduce the costs of electricity production in plants of this type of energy. The multi-heating cycle is presented as a solution to reduce the high irreversibilities of regeneration in pericritical cycles. While the heat in simple regenerative cycles is supplied by means of a single heat source, in multiple heating cycles part of that heat is replaced by others supplied at lower temperature by additional heat sources. The exergy efficiency of multiheating cycles is greater than in simple regenerative cycles due to the lower exergetic cost of additional heat sources. Simple regenerative pericritical cycles and multi-heating cycles are studied by means of a comprehensive and systematic thermodynamic analysis. Reduced thermo-physical properties define these cycles with the purpose of generalizing its characterization setting aside the fluid. The analysis of the pericritical region shows the special relevance of the so-called discontinuity line, which separates the thermodynamic diagram into two regions: liquid and gaseous. The cycle performance is characterized according to the compressor position in the thermodynamic diagram with respect to the discontinuity line and to the cycle conditions. The greater exergy efficiency of multi-heating cycles with respect to simple cycles comes at the expense of bigger intermediate heat exchangers. The volume of the heat exchangers is calculated using printed circuit heat exchangers. The use of CO2 as working fluid shows that wet-cooled cycles achieve higher exergy efficiencies with smaller heat exchanger volumes than dry-cooled cycles. The integration of multi-heating cycles in Concentrating Solar Power plants requires the design of a new type of solar field to accommodate the solar radiation impinging on the receiver to the multi-heating requirements. This new solar field has a configuration similar to the configuration of a solar tower, but with the receiver and the heliostats divided into two sections. Each section meets different requirements in concentration ratio, fluid temperature, and absorbed heat flux. This new solar field achieves greater efficiencies than standard solar towers, but with lower thermal requirements. A techno-economic analysis shows that a system with multi-heating cycle and the new solar field not only achieves high performance, but also a great potential to reduce the costs of CSP plants.