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http://hdl.handle.net/1843/72978
Type: | Dissertação |
Title: | Avaliação de incertezas para ciclos de potência operando com CO2 supercrítico |
Other Titles: | Evaluation of uncertanties of power cycles operating with supercritical CO2 |
Authors: | Paula Pomaro de Almeida Braga |
First Advisor: | Matheus Pereira Porto |
First Co-advisor: | Rafael Augusto Magalhães Ferreira |
First Referee: | Paulo Alexandre Costa Rocha |
Second Referee: | Cristiana Brasil Maia |
Abstract: | Ciclos de potência operados com CO2 supercrítico prometem alta eficiência térmica, simplicidade de layout e tamanho reduzido do maquinário, principalmente se o fluido for comprimido em regiões próximas ao seu ponto crítico. As pesquisas envolvendo ciclos com sCO2 cresceram exponencialmente nas últimas duas décadas, mas ainda não foi possível reproduzir os benefícios esperados em um produto de escala comercial. Uma hipótese para explicar a dissonância entre teoria e prática é a de que é muito difícil produzir resultados experimentais confiáveis, pois as propriedades do fluido sofrem variações muito bruscas nas proximidades do ponto crítico e os pesquisadores, em geral, têm negligenciado esse aspecto. Este estudo foi composto de duas partes, uma para demonstrar a fragilidade de alguns resultados experimentais publicados, e outra para provar a hipótese. Para a primeira parte, foram selecionados dados experimentais de pressão e temperatura na entrada e saída das turbomáquinas de bancadas experimentais dos seis principais projetos ao redor do mundo. Com os dados experimentais, foram calculadas a eficiência isentrópica e a incerteza associada ao resultado e os valores comparados com as eficiências nominais apresentadas em projeto. Os resultados mostram que os valores calculados para a eficiência isentrópica estão muito próximos do seu valor nominal de projeto, mas que a incerteza associada ao valor é alta quando o fluido está próximo ao seu ponto crítico, podendo ser maior que o próprio valor da eficiência, demonstrando que muitos resultados teóricos apresentados são, de fato, impossíveis de serem replicados experimentalmente. Já a segunda parte do estudo visa a provar a hipótese de que são necessários instrumentos de exatidão muito alta para que as medições das propriedades termodinâmicas do CO2 supercrítico próximo ao seu ponto crítico produzam resultados confiáveis do ponto de vista termodinâmico. Para isso, foram realizadas simulações de compressões adiabáticas em um intervalo de temperatura e pressão e a posterior análise de incerteza do resultado da temperatura de saída do fluido. Os resultados das simulações mostram que em regiões próximas ao ponto crítico do fluido, em especial ao longo da linha pseudocrítica, as variações acentuadas das propriedades termodinâmicas do fluido fazem com que seja necessária uma exatidão altíssima para a medição de temperatura e pressão, o que é em alguns casos impossível de ser obtido tanto por conta da limitação dos instrumentos de medição quanto pelas próprias oscilações inerentes ao funcionamento do compressor. Os resultados da segunda parte foram discutidos sob os seguintes aspectos: método de análise de incertezas, a razão de pressão da compressão, a natureza instável do processo de compressão, e a influência da Equação de Span e Wagner. |
Abstract: | Supercritical CO2 power cycles promise high thermal efficiency, simplicity, and compactness, especially when the fluid is compressed near its critical point. Research involving sCO2 power cycles have exponentially grown in the last two decades, but it has not been possible yet to reproduce these expected benefits in a commercial product. A hypothesis to explain the dissonance between theory and practice is that it is very difficult to produce reliable experimental results because the properties of the fluid vary sharply in the vicinity of its critical point and the researchers have generally neglected this aspect. This study was composed of two parts, one to demonstrate the fragility of some published experimental results, and the other to prove the hypothesis. For the first part, experimental data of the turbomachinery inlet and outlet pressure and temperature of the experimental test benches from the six major projects around the world were selected. Using the experimental data, the isentropic efficiency and the uncertainty associated with the result were calculated, and the values were compared with the design nominal efficiencies of the turbomachines. The results show that the calculated values for the isentropic efficiency are very close to their nominal design value, but the uncertainty associated with the value is high when the fluid is near its critical point and can be even greater than the efficiency value itself, demonstrating that many theoretical results presented may not be experimentally reproduced. The second part of the study aims to prove the hypothesis that highly accurate instruments are required for measurements of the thermodynamic properties of supercritical CO2 near its critical point to yield reliable thermodynamic results. To achieve this, simulations of adiabatic compressions were conducted over a range of temperature and pressure, followed by the subsequent analysis of uncertainty in the fluid’s outlet temperature. The simulation results indicate that in regions near the fluid's critical point, particularly along the pseudocritical line, sharp variations in thermodynamic properties require extremely high accuracy in temperature and pressure measurements. This level of accuracy is sometimes impossible to achieve due to limitations in measurement instruments and the inherent oscillations in compressor operation. The results of the second part were discussed in terms of uncertainty analysis method, compression pressure ratio, the unstable nature of the compression process, and the influence of the Span and Wagner Equation. |
Subject: | Engenharia mecânica Incerteza Turbomáquinas Dióxido de carbono Potência (Mecânica) |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
Rights: | Acesso Aberto |
metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/72978 |
Issue Date: | 15-Dec-2023 |
Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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