Aprovechamiento de Fuentes de Calor Residuales de Baja Temperatura Mediante Ciclos Rankine Orgánicos

I

UNIVERSIDAD POLITCNICA DE VALENCIA

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

ANLISIS TERMODINMICO DE UN CICLO BINARIO RANKINE

ORGNICO: APROVECHAMIENTO DE

FUENTES RESIDUALES DE CALOR DE BAJA TEMPERATURA

PROYECTO FIN DE CARRERA

AUTOR: ROBERTO GUISADO FERNNDEZ

DIRECTOR/A: D./ MANUEL MONLEN PRADAS

DPTO. DE TERMODINMICA APLICADA

Valencia, 09 de Enero de 2007

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III

APROVECHAMIENTO DE FUENTES RESIDUALES DE CALOR DE BAJA TEMPERATURA MEDIANTE CICLOS RANKINE ORGNICOS

1. INTRODUCCIN.............pg. 1

1.1. Ciclo Rankine Orgnicopg. 2

1.2. Aplicaciones..pg. 5

1.3. Fluidos de trabajo disponibles..pg. 7

1.4. Configuraciones..pg. 10 1.4.1. Ciclo Saturadopg. 10 1.4.2. Ciclo Sobrecalentadopg. 11 1.4.3. Ciclo Supercrtico..pg. 11

1.5. Descripcin de la planta a optimizar...pg. 12

1.6. Tecnologas competitivas...pg. 16 1.6.1. Ciclo Kalinapg. 16 1.6.2. Ciclo Stirling...pg. 17 1.6.3. Ciclo inferior de aire....pg. 17 1.6.4. Pilas de combustible..pg. 18 1.7. Motivacin y objetivo.pg. 20

1.8. Mtodo y herramientas...pg. 23

2. LOS FLUIDOS DE TRABAJO PARA LOS CICLOS SUPERIOR E INFERIOR.......pg. 27

2.1. Seleccin de los fluidos de trabajo.pg. 28

2.2. Propiedades termodinmicas y caractersticas fsicas del Tolueno... pg. 35

2.3. Propiedades termodinmicas y caractersticas fsicas del MDMpg. 37

2.4. Comparacin entre Tolueno y MDM para un ciclo de 250 Kw de generacin elctrica..pg. 39

2.4.1 Ciclo de Tolueno.pg. 39 2.4.2. Ciclo de MDMpg. 41 2.4.3. Comparacin termodinmica..pg. 43

2.5. Propiedades termodinmicas y caractersticas fsicas del R 245fa.pg. 48

IV

3. ANLISIS TERMODINMICO DEL CICLO BINARIOpg. 51

3.1. Especificaciones..pg. 52

3.2. Parmetros para la optimizacin.pg. 55

3.3. Anlisis termodinmico..pg. 60

3.4. Anlisis exergtico..pg. 70

3.5. Anexo de clculopg. 79 3.5.1. Turbina.pg. 81 3.5.2. Condensador...pg. 85 3.5.3. Intercambiador de calor...pg. 88 3.5.4. Bomba..pg. 91 3.5.5. Nodo (mezclador, separador)..pg. 92 3.5.6. Sumidero/Fuentepg. 94 3.5.7. Generadorpg. 97

3.5.8. Tuberas...pg. 98 3.5.9. Ejespg. 99 3.5.10. Expresiones de las eficiencias energticas y exergticas..pg. 100

4. ANLISIS ECONMICO...pg. 111

4.1. Consideraciones previas...pg. 112

4.2. Anlisis econmico.......pg. 112

5. CONCLUSIONES.pg. 115 6. BIBLIOGRAFA...pg. 119

2

1.1. CICLO RANKINE ORGNICO

El Ciclo de Carnot es el ciclo termodinmico bsico idealizado para transferencia de energa; constando de cuatro procesos: una compresin isoentrpica, un calentamiento isotermo, una expansin isoentrpica y un enfriamiento isotermo. Es el ciclo que produce una eficiencia mayor para una diferencia de temperatura fijada; pero que no posee una implementacin prctica y econmica, debido a la dificultad de realizar procesos de calentamiento y enfriamiento a temperatura constante (lo corriente es trabajar con procesos a presin constante) y a los problemas de bombeo y de expansin.

El Ciclo Rankine, de menor eficiencia termodinmica que el Ciclo de Carnot, s es realizable en la prctica empleando agua como fluido de trabajo. El Ciclo Rankine soluciona los problemas de aplicacin del Ciclo de Carnot usando las modificaciones siguientes:

- El proceso de condensacin del vapor a la salida de la turbina se prolonga hasta condiciones de lquido saturado; evitando as problemas en el proceso de compresin posterior.

- El vapor saturado a la salida de la caldera se sobrecalienta, antes de enviarlo a la turbina de vapor, para incrementar la mxima temperatura del ciclo, y la eficiencia del ciclo, y para mejorar el ttulo de vapor (por encima de 0.85), previniendo de esta forma la condensacin y la erosin de los labes de la turbina.

El Ciclo Rankine se emplea para generar energa elctrica, empleando normalmente como fuente primaria de energa, la combustin de combustibles fsiles o la energa nuclear. Es por tanto, un ciclo de turbina de vapor y comprende los siguientes procesos (Fig. 1):

- Una expansin isoentrpica a travs de una turbina. - Un enfriamiento isobrico en un condensador. - Una compresin isoentrpica en una bomba. - Un calentamiento isobrico en una caldera.

Water/Steam T-s Diagram

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9

Entropy [kJ/kg.K]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Tem

pera

ture

[C

]

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Figura 1: Ciclo Rankine

Rankine Cycle

101099

88

77

66

55

44

33

22

11

8

7

6

5

4

3

2

1

3

El Ciclo Rankine bsico puede ser mejorado para su instalacin en una planta trmica de turbina de vapor. Las mejoras requieren de equipos adicionales y son generalmente empleadas en instalaciones de gran tamao. En la mayora de los casos, no son econmicamente justificables en plantas pequeas, en especial cuando se dispone de temperaturas y presiones mximas moderadas. Las mejoras en el Ciclo Rankine ms desarrolladas son: el recalentamiento del vapor y la regeneracin.

El bajo ttulo del vapor hmedo al final de la expansin puede ser mejorado por un ciclo de recalentamiento. En este proceso, el vapor se expande desde una alta presin a una presin intermedia. A esa presin, el vapor se extrae desde la turbina a la caldera, o una fuente de calor distinta, y se recalienta aproximadamente hasta la temperatura de sobrecalentamiento. Una segunda expansin hasta la presin final sita el estado del fluido en un punto razonablemente cercano a las condiciones de vapor saturado seco.

En muchos ciclos termodinmicos, el calor puede ser transferido de forma til desde el fluido de trabajo entre distintas partes del ciclo. Esta transferencia interna de calor en un ciclo de potencia se denomina regeneracin, y el aparato de transferencia, regenerador. La regeneracin puede ser empleada en un Ciclo Rankine para mejorar la eficiencia del ciclo.

Como se ha apuntado anteriormente, los ciclos Rankine utilizan a menudo combustibles fsiles para generar electricidad; pero hoy en da, el consumo de dichos combustibles presenta dos principales problemas: el agotamiento de los recursos y los problemas medioambientales que conlleva su uso; como la polucin atmosfrica, la destruccin de la capa de ozono y el calentamiento global. Por todo ello, se estn desarrollando nuevas tecnologas que utilicen las fuentes energticas disponibles para generar energa sin causar este deterioro medioambiental. Las fuentes de calor de baja temperatura se consideran ptimas candidatas para su uso como nuevas fuentes de energa, los principales ejemplos son:

- Energa solar - Energa geotrmica - Recuperacin de calor residual de procesos industriales, de turbinas de gas o de

plantas trmicas de vapor o nucleares - Biomasa

El empleo de estas fuentes de energa de baja temperatura en un ciclo Rankine, presenta un serio inconveniente: empleando agua como fluido de trabajo, es necesario sobrecalentar el vapor hasta unos 600 C; con el fin de prevenir la condensacin durante la expansin que produce la erosin de los labes de la turbina. Pero ese proceso de sobrecalentamiento es imposible con fuentes de energa de baja temperatura, fuentes que producen temperaturas mximas entre 100 y 400 C. Por esta razn, un nuevo tipo de sistema termodinmico est siendo desarrollado en los ltimos aos: el Ciclo Rankine Orgnico (CRO; en ingls ORC).

Los Ciclos Rankine Orgnico son potencial y econmicamente factibles para sistemas de recuperacin de calor y particularmente favorables en aplicaciones de baja temperatura (niveles de temperaturas entre 70 y 400 C). Se emplea una sustancia orgnica como fluido de trabajo con el fin de utilizar fuentes de calor de bajo grado

4

debido a que estas sustancias presentan menores temperaturas crticas. La seleccin de la sustancia a emplear y de las condiciones de trabajo de la misma (por ejemplo presiones), se realiza con el fin de optimizar el proceso, pero teniendo siempre presente cuestiones medioambientales y de seguridad.

El Ciclo Rankine Orgnico es un ciclo cerrado basado en el proceso Rankine con la mencionada diferencia de que en vez de agua, se emplea un medio de trabajo orgnico (Fig. 2). El ciclo desarrollado es el siguiente:

- El fluido de trabajo se calienta en la caldera y se convierte en vapor de alta presin (8 9 1 2). Posteriormente, el fluido se sobrecalienta (2 3).

- El vapor se expande va la turbina; dnde la energa trmica del vapor se convierte en energa mecnica, dicha energa es empleada para producir electricidad por medio de un generador conectado al eje de la turbina (3 4 5). En el punto 4 parte del vapor se usa para calendar el lquido antes de la caldera, este proceso se denomina regeneracin.

- El vapor a la salida de la turbina es conducido al condensador dnde vuelve a la fase lquida (5 6 7).

- El lquido se bombea hacia la caldera (7 8), y el ciclo comienza de nuevo.

2323

22222121

99

88

77

66

55

44

33

22

11

99

9

8

7

6

H

5

4

3

2

1

MDM

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

-0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25

s [KJ/kg]

T[

C]

StanMix, MDM

Figura 2: Ciclo Rankine Orgnico (fluido de trabajo: MDM)

Las principales ventajas de los sistemas Rankine Orgnicos, en comparacin con otras tecnologas para la generacin de energa desde fuentes de baja temperatura son:

- robustez (larga vida de servicio, bajos costes de mantenimiento) - no erosin de los labes de la turbina, debido a la ausencia de humedad en el

flujo de vapor - no son necesarios sistemas de tratamiento de agua - operacin completamente automatizable - excelente comportamiento a carga parcial - alta eficiencia de la turbina - eficiencia elctrica neta aproximada del 30% (dependiendo de los niveles de

temperatura)

5

- reducida complejidad y reducidos requerimientos de tamao - no existen emisiones de gases de escape - bajas tensiones mecnicas en la turbina - baja velocidad de la turbina lo que permite la conexin directa del generador

elctrico sin la necesidad de un sistema reductor - se pueden emplear sistemas de regeneracin y recalentamiento - anlisis termodinmico y optimizacin similar a los conocidos ciclos Rankine

con vapor de agua.

Hay que destacar tambin que evaluaciones econmicas basadas en la experiencia de las instalaciones existentes, muestran que las plantas de Ciclo Rankine Orgnico son convenientes para la produccin de electricidad de forma econmicamente competitiva en la mayora de pases europeos; dnde adems se proporcionan diversas ayudas para la implantacin de nuevas tecnologas de generacin elctrica. 1.2. APLICACIONES

Los Ciclos Rankine Orgnicos pueden ser usados para producir energa elctrica por medio de un generador y para producir energa calorfica para sistemas de calefaccin.

Como ha sido explicado previamente, los CROs pueden emplear calor residual de baja temperatura para generar electricidad. Es una alternativa posible a estas bajas temperaturas, en las que los ciclos de vapor de agua son ineficientes tanto termodinmica como econmicamente, debido a los enormes volmenes de vapor de agua a baja presin producidos y que necesitaran de grandes y costosas plantas, en comparacin con la energa producida.

Existen dos principales campos de aplicacin en la generacin de energa para los Ciclos Rankine Orgnico:

- la aplicacin ms extendida es la generacin de energa empleando fuentes energticas de baja temperatura; por ejemplo energa geotrmica, solar o biomasa.

- el empleo como ciclo inferior en el rango de bajas potencias cuando se explota una fuente de calor primaria. Este tipo de aplicacin de recuperacin de calor residual se da con diferentes procesos industriales (como la industria cermica o de altos hornos), ciclos Rankine de vapor, turbinas de gas o plantas nucleares.

Un creciente nmero de plantas de Ciclo Rankine Orgnico (Fig. 3) estn funcionando o siendo proyectadas alrededor del mundo hoy en da. Gran parte de esas plantas se encuentran en Italia y pases limtrofes, ya que la principal compaa que produce este tipo de tecnologa es una firma italiana: Turboden. Pero existen otras importantes empresas en el mundo desarrollando esta tecnologa, como ORMAT (Israel) o UTC Power (USA).

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Figura 3: Esquema de funcionamiento de un proceso ORC para biomasa

El rango de produccin de energa de este tipo de plantas trmicas se sita aproximadamente entre los 200 kWel y los 2 MWel por unidad. En la Figura 4, se muestran algunos ejemplos de datos de configuraciones de CROs para la recuperacin de calor de baja temperatura.

Figura 4: Ejemplos de configuraciones de CROs para la recuperacin de calor de baja temperatura

7

Pero an hoy, existen algunos factores que limitan la aplicacin potencial de los Ciclos Rankine Orgnicos:

- no presentan una muy alta eficiencia de generacin elctrica - las plantas de CROs tienen que estar situadas cerca de las fuentes de calor - el coste de inversin actual de un instalacin CRO es elevado - el desarrollo de los sistemas CRO conlleva un alto riesgo tecnolgico.

1.3. FLUIDOS DE TRABAJO DISPONIBLES

Las propiedades termodinmicas del agua ponen limitaciones a la eficiencia de los ciclos de vapor incluso con complejos sistemas de recalentamiento y regeneracin. Adems, para plantas de energa relativamente pequeas, estos complejos sistemas no son garanta de eficiencia, y al mismo tiempo, el coste de otros fluidos no resulta tan excesivo. Las mayores desventajas en el empleo de agua como fluido de trabajo son:

- su alta presin y relativa baja temperatura en el punto crtico; - la pendiente negativa de su lnea de vapor saturado en el diagrama temperatura-

entropa (T-s); - su bajo peso molecular.

Tericamente, una importante variedad de fluidos orgnicos, en lugar de agua, podran ser empleados en aplicaciones CRO para operar con una eficiencia de ciclo y de turbina aceptables. Pero, cuando se tienen en cuenta problemas de seguridad y de salud, de disponibilidad y de costes, el nmero de posibilidades se reduce drsticamente.

La seleccin de la sustancia de trabajo en un Ciclo Rankine Orgnico depended de las caractersticas del sistema, pero existen varias restricciones generales que pueden utilizarse:

- temperatura y presin crticas apropiadas - volumen especfico reducido - baja viscosidad y tensin superficial - alto calor especfico y elevada conductividad trmica - conveniente estabilidad trmica y qumica - que sea no corrosivo, no txica, no inflamable y compatible con los materiales y

lubricantes - bajo coste y alta disponibilidad.

Otra importante propiedad del fluido a seleccionar para un Ciclo Rankine Orgnico es el peso molecular. Un alto peso molecular del fluido es deseable principalmente para reducir la velocidad de los labes de la turbina. Es posible mostrar que esa velocidad, para un salto de temperatura dado, en una etapa es inversamente proporcional a la raz cuadrada del peso molecular del fluido. Una turbina de vapor normalmente requiere varias etapas para conseguir un salto de entalpa por etapa bajo, y de este modo

8

mantener la velocidad de los labes y la fuerza centrfuga dentro de unos lmites razonables; mientras que una turbina que emplee un fluido de peso molecular elevado necesitara una sola etapa. Aunque si bien, las velocidades son menores para fluidos de alto peso molecular, la masa por minuto que circula es mayor para similares potencias, ya que el salto de entalpa por unidad de masa es aproximadamente inverso al peso molecular.

Por otra parte, muchas de las propiedades termodinmicas de las sustancias pueden representarse en grficos con diferentes pares de variables, lo que es de gran ayuda para el proceso de seleccin del fluido a emplear. Sin duda el diagrama ms interesante para la comparacin de ciclos de potencia es el de temperatura-entropa. Y en ste, las lneas de lquido saturado y vapor saturado, curva azul y curva roja respectivamente en la Figura 5, son las caractersticas ms cruciales del fluido de trabajo para un CRO, ya que afectan directamente a la aplicabilidad, eficiencia del ciclo y equipo a emplear.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

350

-1.25 -0.75 -0.25 0.25 0.75 1.25

s [KJ/kg]

T[C

]

StanMix, Toluene

Figura 5: Diagrama T-s de un fluido orgnico (tolueno)

Existen tres tipos de fluidos atendiendo a su curva de vapor saturado en el diagrama temperatura-entropa (T-s):

- fluidos secos (Fig. 6), presentan pendiente positiva (dT/ds) y, en general, poseen un alto peso molecular

9

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

s [KJ/kg]

T[C

]

v=0.7

m3/

kg

v=0.

003

P=10

P=1 bar

q=0.5

q=0.25

q=0.75

q=0

q=1

v=vc

P=Pc

h=10

0

h=350

h=475

h=550 kJ/kg

P=12

3.18

v=0.

03

Figura 6: Diagrama T-s de un fluido seco (tolueno)

- fluidos hmedos (Fig.7), que presentan pendiente negativa de la curva de vapor saturado y, por lo general, poseen un bajo peso molecular

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 2 4 6 8 10

s [KJ/kg]

T[C

] v=0.

5 m

3/kg

v=0.

01

P=50

P=1 bar

q=0.

5

q=0.

25

q=0.

75

q=0

q=1

v=vc

P=Pc

h=10

00

h=2600

h=3000

h=3600 kJ/kg

P=66

1.92

v=0.

002

Figura 7: Diagrama T-s de un fluido hmedo (agua)

- fluidos isoentrpicos con pendientes aproximadamente infinitas.

Los fluidos hmedos, como el agua o el amoniaco, no son generalmente adecuados para sistemas CRO, debido a que el fluido no llega a la saturacin tras el salto entlpico en su expansin en la turbina y la parte condensada del fluido daa los labes de dicha turbina.

10

Los fluidos de trabajo de los tipos seco o isoentrpicos son ms apropiados para sistemas CRO debido a que:

- 1) su lnea de vapor saturado garantiza el sobrecalentamiento por encima de la temperatura de saturacin en la cul el fluido se evapora y el que la expansin finalice en el exterior de la zona de vapor hmedo, sin gotas de lquido disueltas;

- 2) los saltos de entalpa en la expansin son mucho menores; - 3) se puede emplear una turbina de una nica etapa debido a su alto peso

molecular.

Muchas clases de sustancias de este tipo son aptas como fluido para CROs:

- Hidrocarburos aromticos y de cadena lineal (butano, propano, tolueno) con propiedades trmicas atractivas pero problemas de inflamabilidad

- Hidrocarburos fluorados, que son muy estables pero con una complejidad molecular extremada

- Hidrocarburos de cadena lineal con flor parcialmente sustituido - Siloxanos

1.4. CONFIGURACIONES

Las configuraciones fundamentales de los ciclos de potencia son las siguientes:

1.4.1. Ciclo saturado

Se trata de una configuracin (Fig. 8) en la cul el fluido de trabajo se expande en la turbina como vapor saturado. Un sistema de regeneracin puede ser implementado para mejorar la eficiencia del ciclo empleando un intercambiador de calor adicional (regenerador) tal y como fue explicado en el punto 1.1.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

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325

-0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25

s [KJ/kg]

T[C

]

StanMix, MDM

Figura 8: Ciclo saturado

No. Aparato Tipo Energa Totales Exerga Totales

[kW] [kW] [kW] [kW] Potencia 1 Caldera 1 1365.41 1365.41

absorbida 9 Rec. 2 343.49 -343.49

1021.92 1021.92

Potencia bruta 1 Generador G 250 250

entregada 250 250

Consumo auxiliar 4 Bomba 8 7.01 7.01

de potencia 8 Bomba 8 3.79 3.79

10.8 10.8

Potencia neta

entregada 239.2 239.2

Eficiencias bruta 24.46% 24.46%

neta 23.41% 23.41%

11

1.4.2. Ciclo sobrecalentado

Para la explotacin de calor a alta temperatura, el ciclo saturado requiere un fluido de trabajo con una muy elevada temperatura crtica, lo que implica una presin de condensacin demasiado baja, para una eficiencia del ciclo adecuada. Por ello se hace necesario el sobrecalentamiento del vapor antes de su expansin en la turbina (Fig. 9).

Esta mejora del ciclo consiste en sobrecalentar el vapor (punto 3 de la figura 9), tras el proceso de evaporacin, a presin constante y una temperatura superior a la temperatura de saturacin correspondiente a esa presin.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

-0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25

s [KJ/kg]

T[C

]

StanMix, MDM

Figura 9: Ciclo sobrecalentado

1.4.3. Ciclo supercrtico

En este tipo de configuracin (Fig. 10), el proceso de evaporacin en la caldera se realiza por encima de la presin crtica del vapor y esto, necesariamente, produce un incremento de la temperatura en la caldera. De este modo la vaporizacin en la caldera se realiza de forma casi instantnea al alcanzar la temperatura crtica.

Normalmente es necesario aadir al sistema un proceso de recalentamiento para mejorar el ttulo de vapor a la salida de la turbina, que empeora notablemente al trabajar a presiones tan elevadas. Adems, la presin crtica limitada de las sustancias orgnicas, hace que los ciclos supercrticos sean factibles sin producir peligrosas tensiones en los materiales. Con esta solucin, la eficiencia del ciclo se ve incrementada considerablemente.

No. Aparato Tipo Energa Totales Exerga Totales [kW] [kW] [kW] [kW] Potencia 1 Caldera 1 535.63 535.63 absorbida 9 Rec. 2 289.84 289.84 825.47 825.47 Potencia bruta 1 Generador G 250 250 entregada 250 250 Consumo auxiliar 4 Bomba 8 5.33 5.33 de potencia 8 Bomba 8 2.85 2.85 8.18 8.18 Potencia neta entregada 241.82 241.82 Eficiencias bruta 30.29% 30.29% neta 29.30% 29.30%

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Figura 10: Ciclo supercrtico

1.5. DESCRIPCIN DE LA PLANTA A OPTIMIZAR

La posibilidad de combinar ciclos termodinmicos bsicos con el fin de obtener una mayor eficiencia trmica, es una solucin tecnolgica empleada desde hace tiempo, por ejemplo en los ciclos de cogeneracin. Pero esta combinacin est limitada por varios factores, como el desarrollo de la tcnica, la potencia a generar, las necesidades de energa o las caractersticas de carga parcial.

Los ciclos binarios, combinacin de dos ciclos termodinmicos, constan de un ciclo superior (ciclo rojo en las Fig. 12 y 13) y un ciclo inferior (ciclo verde en Fig. 12 y 13) y en funcin de su rango de temperatura, se puede adoptar una gran multitud de combinaciones. Para conseguir una mayor eficiencia, se requiere una alta temperatura en el ciclo superior y una temperatura media en el ciclo inferior. Con el objetivo de determinar una optima eleccin del ciclo superior e inferior, los diversos tipos de ciclos termodinmicos han sido ordenados en funcin de su rango de temperaturas de operacin (Fig. 11).

No. Aparato Tipo Energa Totales Exerga Totales [kW] [kW] [kW] [kW] Potencia 1 Caldera 1 525.53 525.53 absorbida 9 Rec. 2 239.48 239.48 765.02 765.02 Potencia bruta 1 Generador G 250 250 entregada 250 250 Consumo auxiliar 4 Bomba 8 8.44 8.44 de potencia 8 Bomba 8 0.22 0.22 8.66 8.66 Potencia neta entregada 241.34 241.34 Eficiencias bruta 32.68% 32.68% neta 31.55% 31.55%

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

-0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25

s [KJ/kg]

T[C

]StanMix, MDM

13

Figura 11: Ciclos termodinmicos de acuerdo a su rango de temperaturas de operacin

Como ha sido explicado previamente, los Ciclos Rankine Orgnicos son empleados eficientemente para utilizar energa residual disponible con un alcance ptimo. Los CROs operan como ciclos de recuperacin y son una solucin a emplear con el calor residual procedente de tecnologas como turbinas de gas, ciclos de vapor o motores diesel; o con fuentes de energa de baja temperatura, por ejemplo, energa geotrmica, energa solar o biomasa.

Una vez se disea un CRO como ciclo de trabajo en una instalacin trmica, es necesario seleccionar el fluido ptimo a emplear en la instalacin, considerando las caractersticas termofsicas y termodinmicas de los fluidos disponibles y los parmetros de optimizacin del sistema.

En la Figura 12 se muestra un ejemplo de Ciclo Rankine Orgnico Binario. Este ciclo binario produce energa elctrica, con una eficiencia neta superior al 30%, empleando un ciclo superior sobrecalentado, que funciona con Tolueno como fluido de trabajo, y un ciclo inferior saturado, que emplea como medio el refrigerante R245fa.

14

Tlow = 22.22 KThigh = 5.00 KH,trans = 531.188 kW

i = 87 %m = 100 %P

m = 105.45 kW



i = 87 %m = 100 %P

m = 100.73 kW

Tlow = -50.00 KThigh = -60.53 KH,trans = 178.476 kW



20.00 236.58 150.18 3.243

4646

4545

4444 4343 4242

20.00 350.00 328.23 3.243

4141

4.000 15.05 -2484.46 7.534

3333

1.000 15.00 -2484.96 7.534

3232

2.000 32.27 -2413.96 7.534

3131

32.00 52.40 271.00 2.641

2626

2525

2.300 37.27 249.49 2.641

2424

2.300 55.82 450.64 2.641

2323 32.00 146.97 490.58 2.641

22222121

16.92 226.58 6.09 1.660

1111 16.92 161.78 -148.51 1.660

1010

3.500 160.76 -151.14 1.660 99

3.500 160.76 -151.14 1.660

88

3.500 171.78 198.13 1.660

77

3.500 256.64 352.73 1.660

66

16.92 300.00 413.40 1.660

55

44

16.92 250.00 305.89 1.660

33

22

16.92 250.00 69.81 1.660

11

44

43

42 41

32

3125

24

23

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m

m = Massf low [kg/s]p = Pressure [bar]T = Temperature [C]h = Enthalpy [kJ/kg]Tlow = Low end temp. diff. [K]Thigh = High end temp. diff . [K]H,trans = Transmitted heat f low [kW] i = Isentropic ef f iciency [%]m = Mechanical ef f iciency [%]P

m = Mechanical Pow er [kW]

Figura 12: Esquema de la instalacin de un ciclo binario

Un ejemplo de ciclo termodinmico se describe a continuacin:

- El Tolueno se calienta en el economizador 1 (11 1 2), se convierte en vapor a alta presin en el evaporador 3 (2 3 4) y posteriormente se sobrecalienta (4 5) en el sobrecalentador 5.

- El vapor se expande va la turbina 6 y su energa trmica se transforma en energa mecnica empleada para generar energa elctrica mediante un generador G (5 6 7). En el punto 6 parte del vapor se regenera en regenerador 7.

- El vapor a la salida de la turbina se conduce al condensador 8, dnde condensa a fase lquida (7 8 9).

- Este lquido se impulsa mediante la bomba 10 a la caldera (9 10) y se regenera (10 11). Y el ciclo empieza de nuevo.

- El calor cedido en el condensador 8 se usa para evaporar el refrigerante R 245fa, fluido de trabajo del ciclo inferior (26 21 22).

- Tras este proceso, el vapor se expande va una nueva turbina 22 (22 23) y su energa trmica es convertida en electricidad por un nuevo generador.

- El fluido de trabajo se condensa en el condensador 23 usando un ciclo de enfriamiento con agua (23 24 25).

15

- Despus, el lquido se bombea al condensador 8 mediante la bomba 25 (25 26), comenzando un nuevo ciclo.

Todo este proceso puede ser comprendido mejor con el diagrama T-s mostrado en la Figura 13.

0.7318, 300

0.749, 256.64

0.4316, 171.780.3894, 160.76

0.5356, 250

0.0843, 250

-0.0403, 226.58

-0.3728, 160.76

-0.371, 161.78

1.2297, 52.4

1.1693, 37.27 1.7603, 37.27

1.8156, 55.82

1.6474, 146.97

1.7973, 146.97

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

-1.5 -1.3 -1 -0.8 -0.5 -0.3 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2

s [KJ/kg]

T[C

]

Figura 13: Diagrama T-s de un ciclo binario

16

1.6. TECNOLOGAS COMPETITIVAS

Existen diversas opciones al empleo de Ciclos Rankine Orgnicos para aplicaciones de recuperacin de calor a baja temperatura, como se puede observar en la Figura 11.

1.6.1. Ciclo Kalina

El Ciclo Kalina opera con una mezcla de fluidos, en vez de agua, describiendo un Ciclo Rankine. Esta mezcla de fluidos de composicin variable consigue un mejor comportamiento entre las temperaturas de los flujos caliente y fro. La composicin del fluido cambia en el ciclo en diferentes puntos. En la mayora de ciclos Kalina se emplea una mezcla de agua y amonaco. El amonaco de la mezcla se evapora primero, y segn hierve su concentracin disminuye, y la temperatura de ebullicin de la mezcla aumenta. Esto reduce el desajuste de temperatura entre el calor aportado y el fluido en la caldera, y permite un mayor aumento de la eficiencia del ciclo.

Un Ciclo Kalina bsico consiste en un generador de vapor de recuperacin de calor, una turbina vapor de agua-amonaco, y subsistema de condensacin y destilacin (Fig. 14).

Figura 14: Esquema de flujo de un Ciclo Kalina

Ninguna parte del sistema Kalina opera en condiciones de vaco, lo que simplifica el funcionamiento y el mantenimiento. Los ciclos Kalina empleados como ciclo de recuperacin de calor residual ofrecen hasta un 1030% ms de potencia y una eficiencia de 39% mayor que los ciclos Rankine en las mismas condiciones

17

1.6.2. Ciclo Stirling

El Ciclo Stirling consiste en dos procesos a volumen constante y dos isotermos (Fig. 15). El calor absorbe desde una fuente externa a temperatura constante en el proceso 3-4, y se cede isotrmicamente en el proceso 1-2. El intercambio de calor ocurre entre los procesos 2-3 y 4-1. El regenerador se puede mantener a la temperatura ms elevada de forma continua, dicha temperatura est limitada solamente por restricciones metalrgicas. Este hecho hace al apropiado para el aprovechamiento de calor en un amplio rango de temperaturas.

Figura 15: Ciclo Stirling

Se pueden emplear diferentes gases como fluido de trabajo. Bien aire, metano, helio o hidrgeno, pero es este ultimo el que ofrece una densidad de potencia mayor, lo que es importante en aplicaciones mviles. Para aplicaciones estacionarias, el motor puede ser empleado con helio, o ms econmicamente con metano. Los motores Stirling generan calor en dos niveles: en menor medida en el circuito de refrigeracin, y a mayor temperatura en los gases de combustin del calentador.

Una importante ventaja de los ciclos Stirling es que posee unas caractersticas a carga parcial fijas: el motor mantiene la eficiencia nominal incluso al 50% de carga. Pero el uso de ciclos Stirling, como ciclo secundario en sistemas combinados o plantas de potencia, est limitado por la baja potencia producida por este tipo de motores.

1.6.3. Ciclo inferior de aire

El ciclo inferior de aire, en ingls: air bottoming cycle (ABC), puede ser empleado en una planta combinada. En los ABC, los gases de escape de la turbina de gas principal se envan a un intercambiador de calor gas-aire, el cul calienta el aire en un ciclo de turbina de gas secundario (Fig. 16). Estas dos turbinas componen lo que se denomina una planta de ciclo combinado de turbina de gas dual, en ingles: dual gas turbine combined cycle (DGTCC), la cul se caracteriza por la ausencia de equipos de agua y vapor, baja presin de trabajo y un tiempo de arranque corto. La planta permite un

18

funcionamiento automatizable, y puede ser instalada en lugares dnde los recursos de agua son limitados. Adems, el aire que sale del ciclo secundario a una temperatura de 200 a 270 C puede ser utilizada otros procesos. Esto hace posible implantar plantas DGTCC como plantas de cogeneracin.

Figura 16: Turbina de gas con ciclo inferior de aire

El uso de ciclos inferiore de aire con pequeas turbinas de gas principales ofrece un incremento de potencia y eficiencia sin la complejidad de los ciclos inferiores de vapor. Aproximadamente, la implantacin de un ciclo inferior de aire en una turbina de gas aade de un 7 a un 10% de eficiencia del ciclo, y un aumento en la potencia generada de un 20-35%.

1.6.4. Pilas de combustible

Las pilas de combustible convierten la energa qumica del combustible directamente en electricidad. La reaccin qumica es prcticamente reversible, y por tanto, esta forma de conversin de energa puede considerarse una de las ms efectivas.

Una pila de combustible (Fig. 17) consiste en varios electrodos situados en un electrolito. El combustible (hidrgeno, metano) se sita como nodo, y el oxidante (aire, oxgeno) como ctodo. En las reacciones de ionizacin se genera electricidad. Se pueden emplear diferentes combustibles en una pila, como por ejemplo, hidrgeno, hidrocarburos o combustibles derivados del carbn.

El tipo de electrolito determina el tipo de pila de combustible. Los tipos de pila ms desarrollados son: pilas de combustible alcalina [en ingls: Alkaline Fuel Cell (PAFC)], pilas de combustible de carbonato fundido [Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)], y pilas de combustible de xido slido [Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)]. Bsicamente, todas ellas pueden dividirse en dos grupos: pilas de combustible de baja temperatura (AFC, SPFC, PAFC) y pilas de combustible de alta temperatura (MCFC y SOFC).

19

Las primeras operan a temperaturas por debajo de 200 C, las ltimas por encima de 600 C. Esto determina la aplicacin de la pila de combustible en un ciclo combinado; los sistemas de baja temperatura pueden usarse como ciclo secundario, y los de alta temperatura como ciclo principal.

Las pilas de combustible tienen caractersticas prcticas que hacen que se incremente su eficiencia a carga parcial y que su eficiencia sea independiente del tamao debido a su construccin modular. Un bajo mantenimiento, bajos ruidos y vibraciones, muy bajas emisiones contaminantes y mnimo uso de agua; son otras importantes ventajas, que permitan a las pilas de combustible ser instaladas en zonas urbanas.

Figura 17: Esquema de una pila de combustible

Considerables mejoras en la densidad de potencia y aumentos en la vida de funcionamiento, deben desarrollarse en el futuro. An as, ya presentan una alta eficiencia (por encima del 50%), un diseo compacto, alta modularidad, bajas emisiones, buen comportamiento a carga parcial y la posibilidad de integracin con otros ciclos; lo que hace a las pilas de combustible una importante tecnologa energtica en desarrollo.

20

1.7. MOTIVACIN Y OBJETIVO

Como ya ha sido expuesto, hoy en da, el consumo de combustibles fsiles presenta dos importantes problemas:

- La contaminacin, que tiene serias consecuencias medioambientales. - Que las fuentes de combustibles fsiles no son renovables.

Para sociedad avanzada y desarrollada como la nuestra, con un alto consumo energtico, se hace necesario el disear nuevas tecnologas que utilicen nuevas fuentes de energa para la generacin de potencia.

En este contexto, los Ciclos Rankine Orgnicos pueden desempear un importante rol debido a su aplicabilidad para generar energa, a partir de fuentes de calor residual (de industrias, plantas trmicas) o energas renovables (geotrmica, solar), con bajos costes y baja emisin de contaminantes.

Por otra parte, los sistemas de CRO son una nueva tecnologa todava en desarrollo en unos pocos pases; por lo que el estudio de la misma es de especial inters para ingenieros que deseen profundizar en los conocimientos energticos.

En resumen, podemos afirmar, que el desarrollo de los CROs, tiene para los ingenieros dos interesantes vertientes:

- Contribuir al desarrollo de una nueva tecnologa. - Ayudar en la creacin de una sociedad en concordancia con el medio ambiente.

El objetivo principal del estudio realizado en este proyecto, es la optimizacin de un ciclo binario para un turbogenerador que opera con un Ciclo Rankine Orgnico.

Con la tecnologa actual, este tipo de ciclos puede ser optimizado para aplicaciones de generacin de electricidad con una temperatura de condensacin en el ciclo primario de hasta unos 40 C, para el tipo de fluidos empleados. Pero a esta temperatura el volumen especfico del fluido de trabajo es muy elevado y hace necesario el empleo de turbinas multietapas. Esto provoca un decremento de la eficiencia del ciclo y el correspondiente aumento de costes, haciendo esta solucin tcnica poco rentable econmicamente. Sobretodo, esto se debe al largo perodo de payback de la turbina, el elemento ms caro del sistema, con los precios actuales de la energa elctrica.

Se pretende conocer si una configuracin binaria como la mostrada en la Figura 18, permite el diseo de una mejor expansin reduciendo de una manera notable el ratio de expansin en comparacin con un ciclo simple (Fig. 19), pero manteniendo la eficiencia del ciclo y de los componentes de la instalacin en trminos aceptables. Para que la diferencia de presupuesto entre un ciclo simple y el correspondiente ciclo binario no sea excesiva, el ciclo inferior se ha diseado de forma econmica: se obtiene a partir de un equipo reversible de aire acondicionado, ventilacin y calentamiento (en ingls: HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning)); que opera con el refrigerante R245fa como fluido de trabajo.

21

4646

4545

4444 4343 4242 4141

3333 3232

3131

2626

2525 2424

232322222121

1111

1010

99

88

77

66

55

4433

22

11

44

43

42 41

32

3125

24

23

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

Figura 18: Ciclo Rankine Orgnico Binario

22

2323

22222121

17171616

1515 1414 1313 1212

1111

1010

99

88

77

66

5544

33

22

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

Figura 19: Ciclo Rankine Orgnico Simple

23

1.8. METDO Y HERRAMIENTAS

En la bibliografa, se recogen multitud de artculos tecnolgicos y otras publicaciones sobre configuraciones de plantas de CRO en los que se basa gran parte de esta tsis; pero para disear un sistema especfico y comprobar su posible funcionamiento, es necesario emplear algn tipo de programa de simulacin.

En este proyecto se ha utilizado a tal efecto, el programa Cycle Tempo (CT), desarrollado por la Delft University of Technology (TU Delft). Esta aplicacin ha sido empleada para calcular los balances de masa y energa en cada componente del ciclo y para computar las propiedades de los fluidos de trabajo.

Cycle-Tempo es un programa para el modelado y optimizacin de sistemas de conversin de energa y sistemas de generacin de electricidad, calor y refrigeracin. La mayora de estos sistemas comprenden a menudo varios ciclos interconectados, cada uno de los cules consta de diferentes componentes. Dichos aparatos se conectan mediante tuberas, formando as una compleja red de flujos de energa y masa.

El programa presenta una gran flexibilidad de diseo, ya que contiene un gran nmero de modelos de componentes y tuberas con los cules se puede modelar una gran variedad de sistemas termodinmicos. La generacin del modelo se realiza de una forma sencilla gracias al interactivo e intuitivo interfaz grfico de que consta el programa.

El programa mediante un complejo algoritmo de clculo mostrado en la Figura 20, procesa automticamente los resultados de los clculos del modelo y los presenta en forma de tablas (eficiencias del sistema, balance de energa, datos en las tuberas, flujos de energa y exerga, valores de exerga en el sistema) y grficos (diagramas T-s, diagramas Q-T) para una mejor comprensin.

Adems, se han empleado aplicaciones de hojas de clculo (Microsoft Excel) en la creacin de diagramas T-s y en la generacin de los resultados de los estudios paramtricos desarrollados para la optimizacin del sistema.

24

Figura 20: Algoritmo de clculo del programa Cycle-Tempo Principios del mtodo de clculo del program Cycle-Tempo

Los principios del mtodo de clculo de la aplicacin Cycle-Tempo se puede explicar con un simple ejemplo (ver Figura). Para este ciclo, los balances de energa y masa puede se implementados en la matriz del sistema (ver Figura). Con la matriz del sistema, los flujos msicos son calculados simultneamente.

Las ecuaciones son:

1. Balance de masa de la caldera. 2. Balance de masa de la turbina. 3. Balance de masa total del condensador. 4. Balance de masa de la parte de refrigeracin del condensador. 5. Balance de masa del desaereador. 6. Balance de masa de la bomba de impulsin.

25

7. Balance de masa de la bomba de refrigeracin. 8. Balance de energa del desaereador. 9. Balance de energa del condensador. 10. Balance de energa de la turbina.

Figura: ejemplo de un esquema de ciclo con Cycle-Tempo

Figura: matriz del sistema del esquema con Cycle-Tempo

Creacin de la matriz del sistema

Los flujos msicos son calculados a partir de:

26

- Balances de masa de los aparatos - Balances de energa de los aparatos

Figura: Balance de masa y energa de un aparato

Los balances de masa son del tipo:

Los balances de energa son del tipo:

Los balances de masa tambin pueden ser calculados a partir de: - balance atmico de un aparato - los flujos de masa predeterminados - los ratios de flujo msico predeterminados

Las ecuaciones anteriores (balances de energa y masa) se escriben en forma de matriz: A m = b

La solucin de este sistema da el flujo de masa para cada tubera del sistema. Los clculos deben cumplir tres condiciones:

1. La matriz debe ser cuadradas, lo que significa que el nmero de ecuaciones debe ser igual al nmero de tuberas del sistema. 2. La matriz debe ser independiente. 3. Si existen coeficientes en la matriz dependientes de los flujos de masa, es necesario un clculo iterativo. Este proceso debe ser convergente.

28

2.1. SELECCIN DE LOS FLUIDOS DE TRABAJO

Las especificaciones de temperaturas del ciclo termodinmico a estudiar (temperatura mxima y de vaporizacin del ciclo superior) definen el tipo de fluido a emplear; y permiten realizar una primera seleccin del fluido de trabajo para el ciclo superior del Ciclo Rankine Orgnico Binario desarrollado. El fluido de trabajo del ciclo inferior, como ya se ha dicho, ser el refrigerante R 245fa.

Las principales especificaciones del ciclo (Fig. 21) a emplear en la seleccin del fluido son:

- Tmx = 300 C - Tevap = 250 C - Tcond = 50 C - eta turbina = 0.87 - eta bomba = 0.65 - Delta Tmn Cond = 5 C - Delta Tmn Reg = 10 C - Welc=250 kW

i = 65 %Tlow = 34.96 KThigh = 5.00 K

Tlow = 10.00 KThigh = 36.75 K

i = 87 %

Tlow = -75.00 KThigh = -59.76 K

Tlow = -59.76 KThigh = -19.91 K

Tlow = -19.91 KThigh = -5.00 K

Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 4.569

22222121

17171616

1515 1414 1313 1212

1111

1010

0.02275 50.00 -159.10 2.793

99

88

77

7.679 300.00 436.55 2.793

66

5544

7.679 250.00 241.43 2.793

33

22

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m

m = Massflow [kg/s]p = Pressure [bar]T = Temperature [C]h = Enthalpy [kJ/kg]P

el = Electrical Pow er [kW]Tlow = Low end temp. diff . [K]Thigh = High end temp. diff . [K] i = Isentropic eff iciency [%]

Figura 21: Especificaciones del ciclo

29

Los principales fluidos empleados en CROs se recogen en la siguiente tabla (Fig. 22) junto con su temperatura y presin crtica. Tambin se recogen las caractersticas del agua, con el fin de demostrar, que an siendo posible su implementacin, la eficiencia de un ciclo Rankine con vapor tendra una eficiencia mucho menor a estas bajas temperaturas.

SUSTANCIA TEMPERATURA CRTICA ( C)Etano 32.18Propano 96.675Butano 151.975Pentano 196.55Hexano 234.67Ciclohexano 280.49Benzeno 289.01Tolueno 318.65MDM 291.25Agua 374.14

Figura 22: Fluidos de trabajo de un CRO

De las sustancias enumeradas anteriormente, slo pueden ser consideradas como posibles fluidos de trabajo aquellas que posean una temperatura crtica mayor que la temperatura de vaporizacin del ciclo, 250 C; ya que sino la configuracin del sistema sera supercrtica con los consiguientes inconvenientes tanto tcnicos como econmicos que eso conllevara.

Representando ahora la eficiencia de un Ciclo Rankine Orgnico simple con las caractersticas dadas y operando con los fluidos disponibles (Fig. 23), se muestra que la mejor opcin para el ciclo descrito es emplear bien Tolueno o bien MDM. A continuacin se estudiarn ambos fluidos y los ciclos generados empleando los mismos.

EFICIENCIA DEL CICLO

29.04428.255

29.276 29.295

23.852

2021222324252627282930

Ciclohexano Benzeno Tolueno MDM AguaSUSTANCIAS

EFIC

IENC

IA (%

)

Figura 23: Eficiencia del ciclo con los distintos fluidos

30

A continuacin se muestran los ciclos generados con cada fluido orgnico estudiado (ciclohexano, benceno, tolueno, MDM, agua) as como los principales resultados obtenidos en su simulacin:



i = 87 %m = 100 %P

m = 257.73 kW




Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 4.540

22222121

20.00 203.92 142.31 1.745

17171616

1515 1414 1313

20.00 375.00 611.13 1.745

1212

27.94 51.66 -340.09 1.442

1111

0.3608 50.00 -345.44 1.442

1010

0.3608 50.00 -345.44 -0.9627(s)

99

0.3608 61.66 48.48 1.442

0.3608 61.66 48.48 0.2554(s)

88

0.3608 203.17 305.18 1.442

77

27.94 300.00 483.85 1.442

66

27.94 250.00 340.80 1.442

5544

33

27.94 250.00 180.20 1.44222

27.94 164.92 -83.39 1.442

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m

m = Massflow [kg/s]p = Pressure [bar]T = Temperature [C]h = Enthalpy [kJ/kg]s = Entropy [kJ/kg.K]P

el = Electrical Pow er [kW]Tlow = Low end temp. dif f. [K]Thigh = High end temp. diff. [K]H,trans = Transmitted heat f low [kW]i = Isentropic eff iciency [%]m = Mechanical eff iciency [%]P


CICLOHEXANO

31



i = 87 %m = 100 %P

m = 257.73 kW




Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 4.731

22222121

20.00 166.98 60.45 1.530

17171616

1515 1414 1313

20.00 375.00 611.13 1.530

1212

30.23 51.79 -384.32 1.377

1111

0.3595 50.00 -389.57 1.377

1010

0.3595 50.00 -389.57 -1.0918(s)

99

0.3595 61.79 40.38 1.377

0.3595 61.79 40.38 0.2379(s)

88

0.3595 165.59 184.51 1.377

77

30.23 300.00 371.66 1.377

66

30.23 250.00 259.75 1.377

5544

33

30.23 250.00 63.69 1.3772

30.23 127.98 -240.19 1.377

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m




BENCENO

2

32



i = 87 %m = 100 %P

m = 257.73 kW




Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 4.569

22222121

20.00 185.84 101.46 1.619

17171616

1515 1414 1313

20.00 375.00 611.13 1.619

1212

16.92 50.98 -365.61 1.389

1111

0.1223 50.00 -368.68 1.389

1010

0.1223 50.00 -368.68 -0.9470(s)

99

0.1223 60.98 43.12 1.389

0.1223 60.98 43.12 0.3266(s)

88

0.1223 184.23 227.79 1.389

77

16.92 300.00 413.40 1.389

66

16.92 250.00 305.89 1.389

5544

33

16.92 250.00 69.81 1.38922

16.92 146.84 -180.94 1.389

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m




TOLUENO

33



i = 87 %m = 100 %P

m = 257.73 kW




Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 4.569

22222121

20.00 246.48 247.27 2.269

17171616

1515 1414 1313

20.00 375.00 611.13 2.269

1212

7.679 50.50 -157.64 2.793

1111

0.02275 50.00 -159.10 2.793

1010

0.02275 50.00 -159.10 -0.3553(s)

99

0.02275 60.50 45.61 2.793

0.02275 60.50 45.61 0.2775(s)

88

0.02275 244.22 344.28 2.793

77

7.679 300.00 436.55 2.793

66

7.679 250.00 332.78 2.793

5544

33

7.679 250.00 241.43 2.79322

7.679 207.48 141.03 2.793

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m




MDM

34



i = 87 %m = 100 %P

m = 257.73 kW

Tlow = -75.00 KThigh = 219.95 KH,trans = 37.1623 kW



Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 6.104

22222121

20.00 0.046

17171616

1515 1414 1313

20.00 375.00 611.13 0.046

1212

39.79 50.90 -2334.05 0.317

1111

0.1234 50.00 -2341.38 0.317

1010

0.1234 50.00 -2341.38 -6.2733(s)

99

0.1234 60.90 66.71 0.317

0.1234 60.90 66.71 1.1776(s)

88

0.1234 50.00 -370.65 0.317

77

39.79 300.00 441.81 0.317

66

39.79 250.00 324.66 0.317

5544

33

39.79 250.00 -1443.17 0.3172

39.79 -2771.41 0.317

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m




AGUA

2

35

2.2. PROPIEDADES TERMODINMICAS Y CARACTERSTICAS FSICAS DEL TOLUENO

El Tolueno es una clase de sustancia orgnica adoptada como fluido de trabajo para CRO desde hace tiempo, debido a sus apropiadas propiedades termodinmicas para aplicaciones CRO, su alta disponibilidad y su bajo coste.

El Tolueno, tambin conocido como metilbenceno o fenilmetano, es un lquido insoluble en agua con el olor tpico de los disolventes para pinturas, semejante al olor dulce de los compuestos de benceno. Es un hidrocarburo aromtico ampliamente usado como material prima en la industria y como disolvente. Surge en bajos niveles a partir del crudo y se produce normalmente en el proceso de destilacin de la gasolina va un reformador cataltico, en el craqueado del etileno o del coque de carbn. La separacin final (va destilacin o bien extraccin por solvencia) tiene lugar en una planta BTX.

El Tolueno se emplea como aditivo del octano en los combustibles, como solvente en pinturas, disolvente, reactivo qumico, caucho, imprenta, adhesivos, lacas, base para el cuero, desinfectantes, pegamentos y para producir fenol y TNT. Tambin se usa como material prima para disocianato de tolueno, el cul se utiliza en la fabricacin de espuma de poliuretano. Y hoy en da, como se dijo previamente, el tolueno est siendo empleado como fluido para Ciclos Rankine Orgnicos.

Como sustancia para CROs se ajusta muy bien al rango de temperaturas de operacin y asegura una eficiencia significativamente mayor que otros hidrocarburos. Adems, este fluido ha demostrado una excelente estabilidad trmica y unas buenas propiedades termodinmicas (mostradas en la Figura 24), propiciando tambin un ptimo diseo de la turbina en un amplio rango de capacidades de carga (Pmn, ratio de expansin, etc.).

Toluene

General

Systematic name Toluene

Other names Methylbenzene phenylmethane toluol

Molecular formula C7H8 Molar mass 92.14 g/mol Appearance Clear, colourless liquid CAS number [108-88-3]

Properties

Density and phase 0.8669 g/cm3, liquid Solubility in water 0.053 g/100 mL (20-25C) In ethanol, acetone, hexane, dichloromethane

Fully miscible

Melting point -93 C (180 K)/(-135.4F) Boiling point 110.6 C (383.8 K)/ (231.08F) Critical Temperature 318.65 C (593 K)/ (608F) Critical Pressure 41.06 bar Viscosity 0.590 cP at 20C/ (68F) Dipole moment 0.36 D

Figure 24: Propiedades fsicas del Tolueno

Hay que destacar tambin, que el empleo de Tolueno como fluido de trabajo en CROs se justifica por la pendiente positive de su curva de vapor saturado en el diagrama T-s, como puede verse en la Figura 25.

36

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

s [KJ/kg]

T[C

]StanMix, Toluene

v=0.

7 m

3/kg

v=0.

003

P=10

P=1 bar

q=0.

5

q=0.

25

q=0.

75

q=0

q=1

v=vc

P=Pc

h=10

0

h=350

h=475

h=550 kJ/kg

P=12

3.18

v=0.

03

Figure 25: Diagrama T-s del Tolueno

Por otra parte, el uso de Tolueno tiene dos inconvenientes principales: - Una alta inflamabilidad - Una alta toxicidad

Pero los procesos de CRO, dnde se emplea Tolueno, son completamente cerrados. Por lo tanto, no se deben producir fugas o prdidas. Aunque, sern necesarias ciertas precauciones con el fin de prevenir problemas de seguridad y salud.

En relacin con la toxicidad del Tolueno, se debe tener en cuenta que los humos de Tolueno producen intoxicaciones y en grandes dosis nauseas; y que la inhalacin durante largos perodos provoca daos irreversibles en el cerebro. La toxicidad del Tolueno puede ser explicada por su metabolismo. Como el Tolueno tiene una solubilidad en agua muy baja, no puede ser eliminada del cuerpo por as vas usuales (orina, heces o sudor).

37

2.3. PROPIEDADES TERMODINMICAS Y CARACTERSTICAS FSICAS DEL MDM

Recientemente, una nueva clase de sustancias ha sido propuesta como fluido de trabajo para CRO: los siloxanos. Los siloxanos son compuestos hdricos oxisaturados con cadenas lineales o ramificadas de tomos de silicio y oxgeno (cada tomo de silicio est separado de otro tomo de silicio por tomos de oxgeno). La estructura general de los siloxanos no ramificados es H3Si[OSiH2]nOSiH3. H3Si[OSiH2]nOSiH[OSiH2OSiH3]2 es un ejemplo de siloxano ramificado.

Estas sustancias de trabajo para CRO son no-txicas y fisiolgicamente benignas, no tienen un impacto negativo sobre la capa de ozono y no incrementan el efecto invernadero, ya que poseen una actividad ODP nula y una vida corta en la atmsfera (unos 30 das). Adems, el CRO es un ciclo cerrado, por lo que no existen prdidas ni fugas. Adems, los siloxanos se adaptan perfectamente al rango de temperaturas de los CROs y presentan una alta eficiencia de ciclo.

Los siloxanos ms empleados son:

- MM (hexameildisiloxano, C6H18OSi2) - MDM (octametiltrisiloxano, C8H24O2Si3) - MD2M (decametiltetrasiloxano, C10H30O3Si4) - Mezclas

Hay que destacar, que estos fluidos, en especial el MDM, tienen una gran estabilidad qumica y trmica, una inflamabilidad limitada y unas buenas propiedades termodinmicas (Fig. 26). Empleados como mezcla o como fluido puro, permiten un excelente diseo de la turbina.

Figure 26: Propiedades fsicas del MDM

38

En la actualidad se estn empezando a estudiar las mezclas de siloxanos como fluido para CROs. Dichas mezclas tienen unas caractersticas que las hacen atractivas como fluido de trabajo para altas temperaturas, debido a su estabilidad a esas temperaturas, incluso mayor que los componentes puros solos.

Adems de estos rasgos tecnolgicos, hay caractersticas termodinmicas que pueden ser explotadas para aplicaciones de recuperacin energtica como el hecho de que la temperatura de cambio de fase sea excelente para disminuir las temperaturas en el regenerador y el condensador. Esto hace que la eficiencia interna del ciclo sea superior al 30%. Aunque la presencia en las mezclas de molculas ms complejas con respecto a los componentes individuales, disminuye un poco la capacidad de recuperacin de energa de los CROs. Por otra parte, el fluido de trabajo no reduce mucho su temperatura durante la expansin; por lo que una gran cantidad de calor puede ser regenerada con el fin de mejorar la eficiencia interna.

Pero el desarrollo de estas mezclas, muy interesante para el futuro, se encuentra an en una fase primaria, y hoy en da, los siloxanos puros y en especial el MDM, presentan mejores resultados en las aplicaciones como fluidos en CROs. Sobretodo en cuanto a ratio de expansin y ratio de flujo volumtrico en la turbina, que permiten disear turbinas de mayor eficiencia y menor complejidad y coste. En la Figura 27, se muestra el diagrama T-s del MDM, que como se aprecia presenta una curva de vapor saturado muy adecuada para Ciclos Rankine Orgnico de baja temperatura.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-0.75 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 0.75 1

s [KJ/kg]

T[C

]

StanMix, MDM

Figura 27: Diagrama T-s del MDM

39

2.4. COMPARACIN ENTRE TOLUENO Y MDM PARA UN CICLO DE 250 kW DE GENERACIN ELCTRICA

A continuacin se presenta un estudio termodinmico comparativo entre el Tolueno y el siloxano MDM, con el fin de justificar la eleccin final del fluido de trabajo del ciclo superior que forma parte del Ciclo Rankine Orgnico Binario objeto de este proyecto.

Las especificaciones empleadas para esta comparacin son las siguientes:

- Tmx = 300 C - Tevap = 250 C - Tcond = 50 C - eta turbina = 0.87 - eta bomba = 0.65 - Delta Tmn Cond = 5 C - Delta Tmn Reg = 10 C - Welc=250 kW

Las caractersticas fsicas de los fluidos ms determinantes para la comparacin son las curvas de saturacin, la temperatura y presin crtica y el peso molecular (Fig. 28).

Figura 28: Temperatura y presin crticas y peso molecular del Tolueno y el MDM

El programa Cycle-Tempo se usa como herramienta para el modelado termodinmico del Ciclo Rankine Orgnico.

2.4.1. Ciclo de Tolueno

El esquema de la instalacin para el tolueno se muestra en la Figura 29. Tras dicho esquema, se representa el diagrama termodinmico T-s descrito en el ciclo de tolueno.

El Tolueno se calienta en el economizador (11 1 2 3) y es transformado en vapor a alta presin en el evaporador (3 4 5) y despus se sobrecalienta (5 6) en el supercalentador. Este vapor se expande va una turbina y su energa trmica se transforma en energa mecnica utilizada para producir electricidad por medio de un generador (6 7 8). El punto 7 representa la regeneracin de parte del vapor. El vapor que sale de la turbina se conduce al condensador dnde vuelve a fase lquida (8 9 10). Este lquido condensado se bombea a la caldera (10 11), comenzando as un nuevo ciclo.

40

Figura 29: Ciclo Rankine Orgnico de Tolueno

Los resultados obtenidos en la simulacin informtica, y cuyas expresiones se desarrollan en el apartado 3 de este proyecto, son los que se presentan a continuacin en la Figura 30:

41

Figura 30: Eficiencias y valores de exerga en el sistema

2.4.2. MDM cycle

El MDM se calienta en el economizador (11 1 2 3) y es transformado en vapor a alta presin en el evaporador (3 4 5) y despus se sobrecalienta (5 6) en el supercalentador. Este vapor se expande va una turbina y su energa trmica se transforma en energa mecnica empleada en generar electricidad por medio de un generador (6 7 8). El punto 7 representa la regeneracin de parte del vapor. El vapor que sale de la turbina se conduce al condensador dnde vuelve a fase lquida (8 9 10). Este lquido condensado se bombea a la caldera (10 11), comenzando as un nuevo ciclo.

Este proceso y el diagrama T-s que genera, se muestran en la Figura 31:

42



i = 87 %m = 100 %P

m = 257.73 kW




Pel = 250.00 kW

2323

1.000 15.00 63.08 4.569

22222121

20.00 212.48 162.25 1.839

17171616

1515 1414 1313

20.00 375.00 611.13 1.839

1212

7.679 50.50 -157.64 2.793

1111

0.02275 50.00 -159.10 2.793

1010

0.02275 50.00 -159.10 -0.3553(s)

99

0.02275 60.50 45.61 2.793

0.02275 60.50 45.61 0.2775(s)

88

0.02275 244.22 344.28 2.793

77

7.679 300.00 436.55 2.793

66

7.679 250.00 332.78 2.793

5544

33

7.679 250.00 241.43 2.79322

7.679 207.48 141.03 2.793

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

p Th m


el = Electrical Pow er [kW]Tlow = Low end temp. dif f. [K]Thigh = High end temp. diff. [K]H,trans = Transmitted heat f low [kW]m = Mechanical eff iciency [%]P


MDM

Figura 31: Ciclo Rankine Orgnico de MDM

43

Los resultados generados por la simulacin se muestran en la Figura 32:

Figura 32: Eficiencias y valores de exerga en el sistema

2.4.3. Comparacin termodinmica

El primer paso en la comparacin termodinmica de ambos ciclos es calcular las eficiencias de Carnot y compararlas con las eficiencias de ciclo.

La eficiencia de Carnot se define como: CARNOT = 1-Tl/Th

Definidas respectivamente la temperatura mxima y mnima como: Th = (hturbin-hheout1)/(sturbin-sheout1) Tl = (hheout2-hcondout2)/(sheout2-scondout2)

La eficiencia mxima del ciclo segn el Primer Principio de la Termodinmica se calcula: = Wout/Qin

De esta forma, para los ciclos de Tolueno y MDM tenemos los siguientes resultados (Fig. 33):

44

Figura 33: Eficiencia de Carnot de los CRO de Tolueno y MDM

Como se puede apreciar, la eficiencia de Carnot del MDM es mayor. Pero las eficiencias de ciclo son similares. Para tratar de entender mejor las razones de estos valores, es til realizar un estudio de lo que ocurre en cada componente del ciclo.

a) Caldera y sobrecalentador

En el anlisis de la caldera (economizador y evaporador) y sobrecalentador, reobtienen los resultados siguientes (Fig. 34):

- Ciclo de Tolueno: QEconomizador=-348.18 kW QEvaporador=-327.81 kW QSobrecalentador=-149.28 kW QTotal=-825.27 kW

- Ciclo de MDM: QEconomizador=-280.44 kW QEvaporador=-255.19 kW QSobrecalentador=-289.84 kW QTotal=-825.47 kW

45

Figura 34: Diagramas Q-T en el calentador y sobrecalentador

El calor transferido total (QTotal) al fluido es similar en ambos ciclos, pero el calor intercambiado en la caldera (QEconomizador + QEvaporador) es significativamente mayor para el tolueno, debido a su mayor capacidad calorfica. En trminos termoeconmicos, esto significa que es necesaria una mayor superficie de transferencia de calor y que el coste de la caldera ser ms elevado en el caso del tolueno.

b) Turbina

Los resultados calculados para la turbina, asumiendo unas eficiencias isoentrpicas y mecnicas del 87 % y 100 % respectivamente, son:

- Ciclo de Tolueno: h=-185.61 kJ/kg s=0.0618 kJ/kg.K P=Pin/Pout=138.35 v=vout/vin=136.99

-Ciclo de MDM: h=-92.97 kJ/kg s=0.0286 kJ/kg.K P=Pin/Pout=337.54 v=vout/vin=384.61

El salto de entalpas es menor para el ciclo de MDM y por consiguiente es apropiado emplear una turbina ms lenta, mejorando la eficiencia del ciclo. Adems, este menor salto entlpico produce que las tensiones mecnicas sean tambin menores, por lo que se requerir una turbina con menor nmero de etapas. Esto ltimo, hace que el coste de la turbina sea ms reducido. Por otra parte, el ratio de expansin volumtrica es mayor en la turbina de MDM, lo que producir importantes problemas de turbulencia.

46

c) Regenerador

Comparando los regeneradores empleados en los ciclos de tolueno y MDM (Fig. 35):

- Ciclo de Tolueno: Tlow=10 K Thigh=37.39 K Q=256.426 kW

- Ciclo de MDM: Tlow=10 K Thigh=36.75 K Q=834.272 kW

Figura 35: Diagramas Q-T de los regeneradores

Se necesita una mayor superficie de intercambio de calor para el MDM debido a que el calor intercambiado es ms elevado, y ya que la superficie de transferencia depende de este calor (Q=USTml). En consecuencia, el ciclo de MDM tendr unos costes mayores, en cuento al intercambiador empleado en el proceso de regeneracin.

d) Condensador

El calor transmitido al ambiente en ambos procesos de condensacin es similar (Fig. 36):

- Ciclo de Tolueno: Tlow=34.96 K Thigh=5 K Q=571.798 kW

- Ciclo de MDM: Tlow=34.96 K Thigh=5 K Q= 571.821 kW

47

Figura 36: Diagrmas Q-T en los condensadores

Debido a que el calor transferido en ambos ciclos tiene un valor prximo, el tamao de ambos condensadores tambin lo tendr. Por esta razn el coste de los condensadores y su diseo sern muy similares en los dos ciclos.

e) Comparacin de los ciclos

Realizando la comparacin entre ambos ciclos, se pueden obtener interesantes conclusiones. Los valores de presin mxima y mnima y de flujo msico en ambos ciclos son:

- Tolueno: Pmx= 16.92 bar Pmn= 0.1228 bar m= 5.554 kg/s

- MDM: Pmx= 7.699 bar Pmn= 0.02275 bar m= 11.173 kg/s

El hecho de que la mxima presin sea menor en el ciclo de MDM es una buena noticia para el diseo de los materiales empleados en varios componentes (caldera, tuberas), ya que soportarn unas tensiones menores. Por otra parte, que la presin mnima tambin sea menor, induce ciertos problemas de diseo relativos al vaco. Como el flujo msico es menor, la dimensin de la turbina a emplear ser menor en el caso del Tolueno, y sern necesarias un mayor nmero de etapas.

Todos estos hechos, producen un incremento en la dificultad de diseo de la turbina y un importante incremento en la complejidad tecnolgica del condensador; lo que sin duda propicia un aumento de los costes de la instalacin que emplea Tolueno como fluido de trabajo.

Basndose en estudios econmicos precedentes, en referencia a los costes de inversin de la instalacin, se puede afirmar que, de una manera aproximada, cada componente contribuye al coste total de la forma siguiente:

48

- 45 % del coste total corresponde a la turbina - 20 % al condensador - 10 % al regenerador - 15 % a la caldera

El coste de la turbina ser significativamente mayor para el ciclo de tolueno. Por otra parte, el coste del condensador ser similar, lo mismo que ocurre con el coste de la caldera. Por ltimo, aunque el coste del regenerador ser ms elevado para el ciclo de MDM, ste solo representa un 10% del coste total de inversin. Teniendo todo esto en cuenta, se puede afirmar que el coste de la instalacin empleando tolueno como fluido de trabajo ser netamente superior a la instalacin con MDM, debido sobretodo a la mayor complejidad tcnica de la turbina, lo que aumenta notablemente su coste.

Hay que destacar que, adems de las caractersticas termoeconmicas relacionadas con el diseo del ciclo, existen otras propiedades de las sustancias a emplear que pueden influir en la eleccin del fluido de trabajo, en especial:

- Inflamabilidad. El tolueno puede causar graves problemas debido a que es una sustancia altamente inflamable, una de las razones por la que se encuentra en fase de sustitucin en muchos procesos. Por otra parte. el MDM presenta unos bajos niveles de inflamabilidad.

- Toxicidad. Como se ha descrito en el apartado 2.2., el tolueno es un fluido muy txico, incluso cancergeno, y esta es otra de las ms importantes razones para intentar su sustitucin como fluido de trabajo en Ciclos Rankine Orgnicos. Por contra, el MDM presenta unos niveles de toxicidad muy bajos, siendo prcticamente inocuo para el ser humano.

- Disponibilidad. El tolueno es una sustancia producida en la destilacin del crudo, por lo que su disponibilidad es mayor que la del MDM, que como la mayora de los siloxanos, est an en fase de desarrollo y estudio.

De esta forma, atendiendo a los problemas descritos en cuanto a toxicidad e inflamabilidad, y a razones econmicas y tecnolgicas, se puede justificar la eleccin del MDM como fluido de trabajo para el ciclo superior del Ciclo Rankine Orgnico Binario objeto de este proyecto.

2.5. PROPIEDADES TERMODINMICAS Y CARACTERSTICAS FSICAS DEL R 245fa

El R245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropano) o HFC-245fa es un lquido no inflamable que tiene un punto de ebullicin ligeramente menor a la temperatura ambiente. El R 245fa presenta unas propiedades termofsicas (Fig. 37) que lo hacen atractivo para su uso como refrigerante para refrigeradores centrfugos, y como fluido de trabajo o fluido apropiado a la transferencia de calor. Sus propiedades medioambientales incluyen un

49

Potencial de Agotamiento de Ozono (ODP) y un bajo Potencial de Calentamiento Global (GWP). Adems, no est considerado un Compuesto Orgnico Voltil (VOC).

Para aplicaciones que actualmente emplean HCFCs como el HCFC-123 o HCFC-141b, R 245fa puede ser preferible debido a sus caractersticas de transferencia de calor favorables, baja toxicidad, y su escasez de cloro que le hace ser innocuo con la capa de ozono y ms estable en ciertos ambientes. Los HCFCs estn sujetos a los requerimientos del Protocolo de Montreal y existen intentos de poner lmites en su produccin y emisin. Estas acciones pueden afectar al precio y la disponibilidad de productos de HCFCs, haciendo la disponibilidad del R 245fa ms atractiva para nuevas aplicaciones y equipos.

Exhaustivos tests de toxicidad indican que el R 245fa presenta una baja toxicidad y una larga serie de estudios genticos, que es no mutagnico y no teratgeno. Adems, tests de laboratorio indican que el HFC-245fa tiene un alto grado de estabilidad trmica e hidroltica; pero la presencia de metales, humedad en el aire y lubricante pueden influir en esa estabilidad y por ello, la estabilidad trmica debe ser evaluada para cada condicin de aplicacin.

Figura 37: Propiedades fsicas del R 245fa

Algunas aplicaciones del R 245fa son: - Ciclos Rankine para la recuperacin de calor residual - Refrigeradores centrfugos para procesos o refrigeracin de espacios - Aplicaciones de transferencia de calor - Almacenamiento trmico.

En relacin con los Ciclos Rankine Orgnicos; el HFC-245fa es apto para diversas aplicaciones de recuperacin energtica debido a sus favorables caractersticas termodinmicas (temperatura critica de 154.05 C y presin critica de 36.4 bar) y su

50

apropiado diagrama T-s (Fig. 38). Es un fluido excelente ara la recuperacin de calor a partir de vapor de baja temperatura, proporcionando esquemas de generacin de energa de mayor eficiencia, en los que se pueden emplear turbinas de vapor adicionales (ciclos secundarios). Como ya se dijo anteriormente, existen tambin razones econmicas: los componentes del ciclo se pueden obtener a partir de un equipo reversible de aire acondicionado, ventilacin y calentamiento (HVAC). Estas son las principales razones que han influido en la eleccin de el R 245fa como fluido de trabajo del ciclo secundario del CRO binario presentado.

-80

-30

20

70

120

170

220

0.5 1 1.5 2 2.5

s [KJ/kg]

T[C

]

RefProp, R245fa

v=0.

5 m

3/kg

v=0.

01

P=20

P=1 bar

q=0.

5q=0.

25

q=0.

75

q=0

q=1

v=vc

P=Pc

h=36

0

h=480

h=550

h=590 kJ/kg

P=10

9.2

v=0.

0012

Figura 38: Diagrama T-s del R 245fa

52

3.1. ESPECIFICACIONES

Como se explic con anterioridad, el principal objetivo de esta tsis es comprobar si es posible emplear eficientemente un equipo HVAC como instalacin inferior en un ciclo binario Rankine Orgnico, reduciendo de esta manera los costes de inversin. Adems, se debe comprobar si una configuracin binaria permite un mejor diseo de la expansin, requerimientos de las turbinas, en comparacin con un ciclo simple.

El ciclo binario descrito genera energa elctrica a partir de un ciclo superior con MDM como fluido de trabajo (ciclo rojo en la Fig. 39), y un ciclo inferior empleando R 245fa (ciclo verde en la Fig. 39).

4646

4545

4444 4343 4242 4141

3333 3232

3131

2626

2525 2424

232322222121

1111

1010

99

88

77

66

55

4433

22

11

44

43

42 41

32

3125

24

23

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

Figura 39: Esquema de CRO Binario

El MDM se calienta en el economizador 1 (9 1 2) y se transforma en vapor a alta presin en el evaporador 3 (2 3 4) y despus se sobrecalienta (4 5) en el sobrecalentador 5. El vapor produce trabajo en la turbina 6 cuya energa trmica se transforma en energa mecnica empleada en producir energa elctrica por medio de un generador (5 6). Parte del vapor a la salida de la turbina se regenera y parte se lleva a un condensador (6 7 8). Una vez condensado, el lquido se bombea (8 9) y el ciclo comienza de nuevo.

53

El calor cedido en el condensador 8 es usado para evaporar el refrigerante R 245fa, sustancia del ciclo inferior (26 21 22). Tras este proceso, el vapor se expande en la turbina 22 (22 23) y genera electricidad mediante el generador. El fluido se condensa, condensador 23, usando un ciclo de enfriamiento de agua (23 24 25). Despus, el lquido se bombea 25 (25 26), para comenzar el ciclo otra vez.

Las especificaciones para esta configuracin CRO Binario son las siguientes:

- temperatura mxima del ciclo superior: 350 C - temperatura de evaporacin aproximada del ciclo superior: 250 C - mnima delta T en el evaporador: 10 C - mnima delta T en los condensadores: 10 C - temperatura aproximada de condensacin del ciclo superior: 100 C - eficiencia interna de las bombas: 0.65 - eficiencia interna de las turbinas: 0.87 - mnima delta T del regenarador: 10 C - energa elctrica generada: 1000 kW

Para comprobar que termodinmicamente el ciclo Binario es ms eficiente que uno Simple, y que esa eficiencia justifica el incremento de costes de la instalacin, se compara el anterior con el ciclo mostrado en la Figura 40.

Las especificaciones para este CRO Simple son:

- temperatura mxima: 350 C - temperatura de evaporacin aproximada: 250 C - mnima delta T del evaporador: 10 C - mnima delta T en el condensador: 10 C - temperatura aproximada de condensacin: 40 C - eficiencia interna de las bombas: 0.65 - eficiencia interna de las turbinas: 0.87 - mnima delta T del regenarador: 10 C - energa elctrica generada: 1000 kW

54

2323

22222121

17171616

1515 1414 1313 1212

1111

1010

99

88

77

66

5544

33

22

11

34

33

32 31

22

2110

9

8

7

H

6

5

H

4

3

H

2

1

H

Figura 40: Esquema de CRO Simple

El ciclo descrito es similar al ciclo superior del ciclo Binario. El MDM se calienta en el economizador (11 1 2 3) y se evapora en el evaporador posterior (3 4 5) siendo despus sobrecalentado (5 6) en el sobrecalentador. El vapor atraviesa la turbina y genera energa mecnica transformada en electricidad en el generador (6 7 8). Parte del vapor que sale de la turbina se regenera, y parte se condensa en el condensador (8 9 10). Posteriormente, el lquido se bombea a la caldera para comenzar de nuevo el ciclo termodinmico (10 11). Hay que comentar tambin que:

- El ciclo de calentamiento del fluido de trabajo se simula con un aceite trmico denominado perfluorocarbonato (PP5) como fluido de transferencia de calor, debido a sus excelentes caractersticas en esta aplicacin. La temperatura de entrada de este aceite trmico se estima en 350 C y el punto de divisin (pinch point) de la recuperacin de calor en el evaporador en 10 C, para optimizar el proceso.

- El ciclo de refrigeracin opera con agua su diferencia de temperatura inferior en el condensador ha sido fijada en 5 C para mejorar el proceso de transferencia de calor en el mismo.

- La eficiencia de la turbina debe encontrarse en el rango disponible actualmente para estas aplicaciones, y que segn diversos estudios es de entre el 85 y el 90%.

55

3.2. PARMETROS PARA LA OPTIMIZACIN

Los parmetros de control y optimizacin de un Ciclo Rankine Orgnico son:

- Presin de vapor (Pv) - Mxima temperatura de vapor (Tv) - Presin de condensacin (Pc)

Si se incrementa la presin de vapor, la mxima temperatura del ciclo permanece constante pero la temperatura de evaporacin en la caldera aumenta. Este hecho produce que la necesidad de calor en la caldera disminuye y tambin lo hace el calor cedido en el condensador. Por estas razones, la eficiencia del ciclo mejora.

La energa producida en al turbina es mayor si la temperatura mxima de vapor tambin, lo es, debido a que el rango de expansin del fluido se incrementa. Se produce una mejora en la eficiencia del ciclo. Pero este aumento en la temperatura de vapor est limitado por la resistencia trmica de los materiales; aproximadamente, este lmite se sita entorno a los 550 C.

El ltimo parmetro de control del ciclo es la presin de condensacin. Si se produce una disminucin de la misma, la energa producida en la turbina aumenta con un pequeo incremento de la cantidad de calor necesaria en la caldera. Por estos motivos, la eficiencia termodinmica del ciclo se mejora de manera muy apreciable.

Para el ciclo binario mostrado en la Figura 39, las siguientes variables se estudiarn en las especificaciones del mismo para mejorar su eficiencia:

- Mxima temperatura de vapor: 350 C - Presin de vapor - Presin de condensacin del ciclo principal - Presin de condensacin del ciclo secundario

Los cambios en estos parmetros de control estn basados en un estudio paramtrico que relaciona la variacin de la eficiencia del ciclo con la variacin de la presin de vapor y la presin de condensacin del ciclo principal.

El primero de los estudios correlaciona la eficiencia neta del ciclo con la presin de vapor, manteniendo constantes el resto de variables. El segundo muestra la relacin existente entre la eficiencia del ciclo y la presin de condensacin sin variacin de ningn otro parmetro. Los resultados de ambos estudios se muestran en las Figuras 41 y 42.

56

13.01

22.367

28.025

30.638 31.171 30.57429.478

121314151617181920212223242526272829303132

10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5Vapor pressure (bar)

Net

Eff

icie

ncy

(%)

Figura 41: Eficiencia neta del ciclo vs presin de vapor del ciclo principal

15.007

17.862

20.422

22.661

24.634

26.154

24.453

15161718192021222324252627

0.0750.10.1250.150.1750.20.2250.250.275T.C. condensation pressure (bar)

Net

Eff

icie

ncy

(%)

Figura 42: Eficiencia neta del ciclo vs presin de condensacin del ciclo principal

Los valores para la optimizacin del sistema han sido adoptados, tras los estudios paramtricos, por las siguientes razones:

- Con el fin de poder usar una fuente de calor de baja temperatura como fuente de energa para el ciclo, la mxima temperatura de vapor se fija en 350 C

57

- La presin de vapor de 13 bar, muy cercana a la presin crtica del MDM: 14.4 bar. Este valor se adopta para mejorar la eficiencia del ciclo para asegurar una configuracin de ciclo sobrecalentado. Por encima de la presin crtica nos encontraramos en una configuracin de ciclo supercrtico.

- La presin de condensacin para el ciclo superior de 0.125 bar se escoge para mejorar la eficiencia, y la presin de salida de 7.402 bar para el R 245fa con el fin fijar la diferencia entre la mnima temperatura del ciclo superior y la mxima temperatura del inferior secundario en torno a los 10 C

- La presin de condensacin para el ciclo inferior de 1.648 bar se adopta para fijar el rango de temperatura en los 40 C y que el R 245fa salga del condensador, aproximadamente a la temperatura ambiente.

La configuracin del ciclo obtenida es la de la Figura 43 y su diagrama T-s se muestra en la Figura 44:


i = 87 %m = 100 %P

m = 229.19 kW



i = 87 %m = 100 %P

m = 801.73 kW




20.00 269.10 312.07 9.239

4646

4545

4444 4343 4242

20.00 375.00 611.13 9.239

4141

4.000 15.06 -2484.42 61.655

3333 3232

2.000 22.68 -2453.31 61.655

3131

7.402 41.50 255.40 9.521

Documents

Aprovechamiento de Fuentes de Calor Residuales de Baja Temperatura Mediante Ciclos Rankine Orgánicos