Advanced modeling and optimization of the oxy-combustion net power cycle and heat transfer in supercritical CO2 microflows for high-performance compact heat exchangers

Abstract

This PhD thesis contributes to the technological advancement and performance improvement of the NET Power thermodynamic cycle, an innovative oxy-combustion-based energy production technology that employs supercritical CO2 (scCO2) as a working fluid. A major objective is to conduct a comprehensive experimental and computational investigation on heat transfer in horizontal scCO2 microflows within the operating conditions of the NET Power cycle, reaching up to 30 MPa. This study aims to constitute a first research step towards the replacement of the currently established printed circuit heat exchanger units by novel, high-performance, and compact micro shell-and-tube heat exchanger (MSTHE) units for the low-temperature section of the NET Power cycle recuperator, the key component of the cycle for achieving high thermal efficiencies. The study begins by performing a complete detailed thermodynamic model of the most advanced NET Power cycle embodiment. The binary interaction parameters of several equations of state are optimized to characterize the working fluid properties, under the specific pressure, temperature, and composition ranges of the cycle. A novel hybrid optimization algorithm is developed to propose the optimal set of operating parameters for maximum cycle efficiency. Moreover, the part-load performance of the cycle is analyzed, offering new valuable insights into its operational flexibility, and defining the operating boundaries of the recuperator for conducting the subsequent heat transfer investigation. An experimental system is built to conduct pioneer heat transfer experiments, up to 30 MPa, in scCO2 flows through a uniformly heated, horizontal microtube. The effect of key parameters such as the pressure, mass flux, heat flux, inlet fluid temperature, buoyancy and thermal acceleration, on the heat transfer performance are investigated through sensitivity studies. To predict the heat transfer coefficients, empirical models, including an artificial deep neural network, are developed. These models provide a foundation for the thermal design of MSTHE units for the low-temperature section of the recuperator. Then, the empirical heat transfer model is integrated into a one-dimensional thermal-hydraulic model to assess the MSTHE performance. The results demonstrate high operational effectiveness and structural advantages of MSTHE over conventional heat exchange architectures, positioning MSTHEs as a promising high-performance, and cost-effective alternative for future deployment.

Esta tesis doctoral contribuye al avance tecnológico y a la mejora del desempeño del ciclo termodinámico NET Power, una innovadora tecnología de producción energética basada en la oxí-combustión, que utiliza CO2 supercrítico (scCO2) como fluido de trabajo. Uno de los objetivos principales es realizar una investigación experimental y computacional sobre la transferencia de calor en microflujos horizontales de scCO2, bajo las condiciones operativas del ciclo NET Power, alcanzando presiones de hasta 30 MPa. Este estudio representa un primer avance en la investigación orientada a reemplazar las unidades de intercambio de calor de circuito impreso, actualmente establecidas, por novedosas unidades compactas y de alto rendimiento, basadas en intercambiadores de carcasa y microtubos, para el recuperador del ciclo NET Power, componente clave para alcanzar elevadas eficiencias térmicas. El estudio comienza con el desarrollo de un modelo termodinámico completo de la configuración más avanzada de ciclo NET Power. Los parámetros de interacción binaria de varias ecuaciones de estado (EoS) son optimizados para caracterizar las propiedades del fluido, bajo los rangos específicos de presión, temperatura y composición del ciclo. Un algoritmo híbrido de optimización eficiente es desarrollado para proponer el conjunto óptimo de parámetros operativos que maximicen la eficiencia térmica del ciclo. A partir de la configuración óptima propuesta, el comportamiento del ciclo en cargas parciales es analizado, proporcionando nuevas y valiosas proyecciones sobre su flexibilidad operativa, y definiendo los límites de operación del recuperador que permiten la realización del estudio posterior de transferencia de calor. Un sistema experimental fue construido para realizar experimentos pioneros de transferencia de calor, hasta 30 MPa, en flujos de scCO2 por un microtubo horizontal uniformemente calentado. Se investiga el efecto de variables clave como la presión, flujo másico, flujo de calor, temperatura de entrada del fluido, flotabilidad y aceleración del flujo sobre el desempeño de la transferencia de calor a partir de estudios de sensibilidad. Para predecir los coeficientes de transferencia de calor convectivos, se desarrollan modelos empíricos, incluyendo una red neuronal artificial profunda. Estos modelos constituyen una base sólida para el diseño térmico de las unidades MSTHE. Posteriormente, el modelo empírico de transferencia de calor se integra en un modelo termo-hidráulico unidimensional para evaluar el desempeño del MSTHE. La combinación de las EoSs GERG-2008 y LKP demostró la mayor precisión, optimizando parámetros operativos que elevaron la eficiencia neta del ciclo de 54.41% a 55.94%. Bajo condiciones parciales de carga, el ciclo mantiene buena eficiencia hasta 50 % de carga, destacando su versatilidad operativa. En paralelo, se investigó la transferencia de calor en microtubos con scCO2 hasta 30 MPa. Se identificaron efectos de flotabilidad que generan perfiles térmicos asimétricos y estructuras de convección natural, afectando la eficiencia del intercambiador. El modelo de transferencia de calor basado en una red neuronal logró predecir los coeficientes de transferencia de calor con una desviación de 6.74%. Finalmente, se determinó que los intercambiadores de microtubos presentan mejor tolerancia estructural que los de circuito impreso bajo cargas variables, constituyendo una alternativa robusta y eficiente para el ciclo NET Power. El estudio demuestra que un modelado termodinámico preciso y una optimización de parámetros operativos permiten mejorar significativamente la eficiencia del ciclo NET Power. Los intercambiadores de microtubos, por su capacidad de adaptación térmica y resistencia a gradientes de temperatura axiales, pueden ser propuestos como alternativas de alto desempeño frente a los intercambiadores de circuito impreso. Además, el uso de scCO2 en microtubos reveló fenómenos térmicos complejos, como convección mixta y microvórtices inducidos por flotabilidad, que deben considerarse en el diseño. En conjunto, estos hallazgos contribuyen de forma sustancial al desarrollo de tecnologías más eficientes y confiables para ciclos de energía con captura de carbono.