Thermodynamic Study of the Supercritical, Transcritical Carbon Dioxide Power Cycles for Utilization of Low Grade Heat Sources Application

Abstract

Low-grade heat (LGH) sources, here defined as those below 500 oC, are a group of abundant energy sources available as industrial waste heat, solar thermal, and geothermal which are not used to their full advantages. For example, they are not adequately for conversion to power because of low efficiency energy conversion. The utilization of LGH can become advantageous for achieving to the highest thermal efficiency. Technologies that allow the efficient conversion of low-grade heat into mechanical and electrical power need to be developed. Various studies have been carried out to appraise the potential of using supercritical carbon dioxide (S-CO2) in a closed Brayton cycle using LGH source for power generation. In this study, the objective of research is to perform a thermodynamic analysis on five different configurations of S-CO2 Brayton cycle. Different configurations are examined among which recompression and partial cooling have been found very promising. The main part of this study is focused on carbon dioxide Brayton cycle. CO2 Brayton cycle has wide range of applications such as heat and power generation and in automotive and aircraft industry. Proposed configurations of each carbon dioxide Brayton cycle performance simulation are conducted and subsequently compared with other power cycles utilizing LGH sources. The CO2 transcritical power cycle (CDTPC) utilizing LGH is also studied. The models are developed by using the Engineering Equation Solver (EES) for several different Brayton cycle configurations. The choice was made to pursue Brayton cycle with regeneration configuration for further, due to its simplicity and high efficiency. Keywords: Supercritical CO2 Brayton cycle, transcritical CO2 cycle, simulation, low-grade heat.

ÖZ: Burada, 500 oC altında olarak tanımlanan düşük-dereceli ısı kaynakları, tüm avantajları kullanılmayan endüstriyel atık ısı, güneş enerjisi ve jeotermal gibi mevcut bol enerji kaynaklarından bir gruptur. Ancak, düşük enerji dönüşümü verimliliğinden dolayı bu kaynaklardan az yararlanılıyor. Düşük-dereceli ısı kullanımı birçok nedenden dolayı avantajlıdır. Düşük-dereceli ısının mekanik ve elektrik güç haline verimli dönüşümünü sağlayan teknolojileri geliştirmek oldukça önemlidir. Süper kritik karbon dioksitin, düşük-dereceli ısı kaynaklı kapalı Brayton çevriminin güç üretimide kullanım potansiyelini değerlendirmek için çeşitli çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmadaki araştırmanın amacı beş farklı konfigürasyonda süper kritik karbon dioksit Brayton çevriminin termodinamik analizini gerçekleştirmektir. Farklı konfigürasyonlar incelendi ve bunlar arasında tekrar sıkıştırma ve kısmi soğutma çok umut verici bulundu. Bu çalışmanın ana kısmı, karbon dioksit Brayton çevrimine odaklanmıştır. Karbon dioksit Brayton çevrimi geniş uygulama yelpazesine sahiptir, örneğin ısı ve güç üretimi, otomotiv ve uçak sanayisi. Önerilen karbon dioksit Brayton çevrimi konfigürasyonlarının performans simülasyonu yapıldı ve diğer düşük dereceli ısı kullanan güç çevrimleri ile karşılaştırıldı. Düşük-dereceli ısı kaynağı kullanan CO2 transkritik güç çevrimi ayrıca incelendi. Engineering Equation Solver yazılımı kullanılarak farklı konfigürasyonlardaki Brayton çevriminin modelleri geliştirildi. Rejenaratörlü basit Brayton çevriminin sadeliği ve yüksek verimliliği nedeniyle daha fazla takip edilmesi gerektiği seçimi yapıldı. Anahtar kelimeler: Süper kritik CO2 Brayton çevrimi, transkritik CO2 çevrimi, simülasyon, Düşük-dereceli ısı