Design of supercritical carbon dioxide centrifugal compressors

Resumen

Los potenciales problemas que puedan presentarse en el futuro asociados a la escasez de recursos energéticos convencionales (combustibles fósiles), han promovido desde hace décadas el desarrollo de sistemas renovables por un lado y por otro de sistemas de alta eficiencia. En este ámbito, los ciclos supercríticos de potencia han sido analizados teóricamente desde finales de los años 60, especialmente el que emplea dióxido de carbono como fluido de trabajo, dada la facilidad de este fluido para ser enfriado con aire ambiente en condiciones todavía supercríticas (es decir, el ciclo es completamente supercrítico). Surgió así un ciclo propuesto por Feher en 1969 que posteriormente ha sido estudiado por diversos autores, entre ellos G. Angelino, quién investigó minuciosamente diversas configuraciones pudiéndose establecer en base a su trabajo comparativas con respecto a los ciclos convencionales de aire o vapor de agua. El interés inicial que el ciclo supercrítico de dióxido de carbono suscitó, que dio pie a interesantes estudios termodinámicos, fue apagándose hasta que en 2004 V. Dostal, de MIT (Massachusetts Institute of Technology) presentara en su tesis doctoral un interesante y pragmático estudio del potencial de este ciclo, en su versión regenerativa, en plantas nucleares. Tras este segundo impulso del ciclo SCO2, la comunidad científica focalizó gran parte de su esfuerzo en el desarrollo de la tecnología necesaria para llevarlo a la práctica, prueba de lo cual son las actualmente existentes instalaciones experimentales de SANDIA National Laboratories o de Tokyo Institute of Technology. Por su parte el grupo de Máquinas y Motores Térmicos de la Universidad de Sevilla (GMTS) ha centrado parte de su trabajo de investigación en el desarrollo de las turbomáquinas, especialmente el compresor, surgiendo esta tesis como fruto de ello. El primer capítulo está dedicado al marco en el que la tesis se ubica, resaltando la idoneidad del ciclo SCO2 para su aplicación en centrales solares de receptor central, tanto por su eficiencia en los niveles de temperatura alcanzables por los receptores del momento, como por la simplicidad y compacidad del sistema. Al final de este primer capítulo se hace un recorrido por la actividad investigadora internacional, destacando aquéllas instituciones donde se están desarrollando trabajos experimentales del ciclo de interés. Habida cuenta de que la herramienta empleada para esta tesis es el cálculo numérico en CFD (Computational Fluid Dynamic), el capítulo 2 abarca aspectos básicos y recomendaciones a considerar para la simulación numérica de flujos turbulentos de CO2 supercrítico. El trabajo original de esta tesis se desarrolla a partir del capítulo 3º, donde se estudia el comportamiento de difusores cónicos operando con CO2 supercrítico y se comparan sus prestaciones con la operación con aire, empleándose los trabajos de Dolan y Runstadler como caso de referencia entre otros. Como conclusión fundamental se puede observar que el CO2 supercrítico se adapta peor a ángulos de divergencia elevados que el aire, siendo por tanto más proclive a que aparezca flujo desprendido. No obstante, cuando el bloqueo aerodinámico alcanza valores superiores al 12%, la diferencia de comportamientos entre el fluido de interés y el aire prácticamente desparece. Tras estudiar los procesos de difusión (el proceso de compresión más elemental que ocurre en el interior de una turbomáquina), se aborda el desarrollo de una herramienta unidimensional en el capítulo 4. Se desarrolla así un modelo de análisis basado en correlaciones empíricas para estimación de pérdidas, el cual es validado tanto para CO2 supercrítico como para aire, y posteriormente se procede a crear una estrategia de diseño que abarca desde el concepto inicial del ciclo de potencia hasta el estudio 3D mediante CFD del diseño creado con la herramienta 1D. Se obtiene por tanto así un diseño inicial, no optimizado, que es analizado mediante CFD en el capítulo 5º de la tesis. El objetivo fundamental del capítulo 5º es asentar las bases de posteriores simulaciones de compresores radiales de CO2 supercrítico, de modo que el trabajo aquí realizado sea una guía para futuros desarrollos de GMTS. Se define el tipo de malla a emplear así como el software necesario para la generación de la geometría y su mallado. Se define también el tamaño de malla requerido mediante un análisis de convergencia de la malla (GCI-Grid Convergence Index) así como la idoneidad del refinamiento de la misma en las regiones afectadas por las paredes. Además de ello se realizan modelos de diferente complejidad, comparándose los resultados obtenido con y sin la inclusión del juego intersticial, derivándose como conclusión fundamental que los resultados obtenido con un modelo simple de rodete son plenamente satisfactorios a la vista de su comparación con resultados de la herramienta 1D, quedando pendiente por tanto la contrastación de ambas herramientas numéricas con datos experimentales fiables. Finalmente, se genera el mapa de operación de la 1ª etapa de compresión resultado del capítulo 4, incluyendo por tanto rodete y difusor. Al final de la tesis se extraen las principales conclusiones derivadas del trabajo y se deja planteado un trabajo futuro basado en el aquí presentado.