Sizing of a Supercritical CO2 Brayton Power Cycle as Energy Conversion System for Gen3 CSP

Abstract

Los ciclos de potencia Brayton con CO2 supercrítico (S-CO2) son una tecnología prometedora para cumplir los objetivos de la hoja de ruta de la Generación 3 solar de NREL, especialmente aquellos relativos a eficiencia y coste. Con ese objetivo, la tecnología de concentración propuesta es la de receptor central (CR), trabajando con sales fundidas (MS) de cloro terniarias a 700 ºC. Sin embargo, surgen potenciales retos asociados al taponamiento de las sales dentro de los estrechos canales de los intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHE) empleados habitualmente en ciclos S-CO2. Se ha propuesto un nuevo ciclo S-CO2 para resolver tal desafío, aportando el calor de las sales a la corriente de CO2 de baja presión, de modo que se puede emplear un inercambiador de calor de carcasa y tubos (STHE) en lugar del PCHE. Los intercambiadores de carcasa y tubos permiten gran área de paso para la circulación de la sal en el lado de la carcasa, evitando así los problemas de taponamiento. En el presente artículo se han llevado a cabo dos análisis. Por un lado, se han obtenido los mapas de prestaciones de varias disposiciones con alimentación en baja presión, comparándose con los ciclos S-CO2 convencionales. por otra, se ha realizado el modelo CAD de implementación de la mejor solución encontrada. Tal información permitirá llevar a cabo estudios dinámicos precisos en el futuro.

Brayton supercritical CO2 power cycles (S-CO2) are a promising technology to fulfill some of the objectives of Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap from the National Renewable Energies Laboratory (NREL), especially those regarding to efficiency and cost. To that aim, the concentrating solar technology proposed is the central receiver (CR), working with ternary chloride molten salts (MS) at 700 ºC. However, potential challenges arise associated to the molten salt clogging inside the narrow channels of printed circuit heat exchangers (PCHEs), which are usually used in S-CO2 cycles. A novel S-CO2 has been proposed to overcome such issue, transferring the heat power from the salts to the CO2 in the low-pressure stream, so shell and tube heat exchangers (STHEs) can be used instead of PCHEs. Shell and tube heat exchangers allow higher pass area for the salt circulating in the shell side, so avoiding the clogging issues.

In the current paper, two analyses have been carried out. On one hand, the performance maps of these layouts have been obtained, being compared to conventional S-CO2 layouts; on the other hand, complete sizing and CAD allocation model for the best solution have been performed. Such information will allow to carry out accurate dynamic studies in the future.