SIMULACIÓN DE CICLO RANKINE ORGÁNICO V. Begazo, D. Luna, M. Postigo, J.Vasquez Arequipa-Perú
Palabras Clave: ORC, biomasa, geotermia, simulación, turbina 1
RESUMEN
En el presente proyecto se simula y analiza el comportamiento de un ciclo Rankine orgánico. Se ha empleado el software Engineering Equation Solver (EES) para las simulaciones de los siguientes modelos realizados para el ciclo Rankine Orgánico (ORC). El ciclo orgánico rankine (ORC) es una tecnología comercial para la producción de energía eléctrica a partir de fuentes de energía de medio/bajo nivel de temperatura (normalmente <250°C). Es similar al ciclo Rankine convencional de agua/vapor, a excepción del fluido empleado que es un fluido orgánico de elevado peso molecular, la tecnología del ORC con fluido orgánico encuentra entre sus aplicaciones el aprovechamiento de energía solar, energía geotérmica de baja temperatura, energía obtenida a partir de biomasa y la recuperación de calor residual, se caracterizan por su escasa complejidad en cuanto a su configuración respecto a otros ciclos que poseen propósitos similares, aspecto que lo hace competitivo en términos económicos y técnicos. 2
INTRODUCCIÓN
La energía solar, la geotérmica y también la energía disponible a partir del calor desechado por procesos térmicos incluyen el 50% de las fuentes de calor existentes, estas representan un gran potencial de energía que podría ser usado para abastecer parte de la demanda eléctrica mundial, pero la temperatura a la que están disponibles hace que la producción de potencia usando ciclos termodinámicos convencionales no sea lo suficientemente eficiente. Con el fin de aprovechar estas fuentes de calor, en los últimos años se han propuesto y estudiado algunos ciclos de potencia, tales como el Ciclo Rankine Orgánico (ORC), Ciclo Rankine Supercrítico (SRC), Ciclo de Goswami y Ciclo de Kalina; logrando eficiencias entre 15 y 50% más elevadas en este último, respecto al ORC y el SRC en condiciones similares de operación ; sin embargo, la complejidad que presenta el Ciclo de Goswami y el Ciclo de Kalina en cuanto a su estructura y operación, además del alto costo tecnológico, hace que el ORC y el SRC
toman gran importancia. Las investigaciones recientes en esta problemática, han estado direccionadas a la búsqueda de fluidos de trabajo que mejoren el comportamiento del ORC y del SRC, aunque hay posibilidades de mejora en otros aspectos como por ejemplo en el proceso de adición de calor.
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HIPÓTESIS
El rendimiento de la simulación aumenta al incrementar la temperatura, ya que esto significa aumentar la presión en el ciclo. El parámetro que debemos tomar en cuenta es la selección de las condiciones, tales como: presión y temperatura, de la caldera y condensador. 4
MARCO TEÓRICO
Para comenzar este trabajo definimos el tema como un ciclo termodinámico que convierte el calor en trabajo. Se considera como la base fundamental de las centrales térmicas debido a que genera el 80% de electricidad en todo el mundo. Es importante mencionar que incluso las pequeñas mejoras que se hagan en el ciclo, significan grandes ahorros.
4.1 DEFINICIONES Ciclo térmico
Objetivo: producir trabajo
Emplea: agua
Ciclo frigorífico
Objetivo: extraer calor
Emplea: freones
Bomba de calor
Objetivo: comunicar calor
Emplea: freones
Los fluidos que se usan en las simulaciones deben de cumplir los siguientes requisitos:
No tóxicos
No inflamables
No explosivo, ni irritante
Alto calor latente
Insolubles en lubricantes
Inactivo químicamente
Baja viscosidad (reduce irreversibilidades)
En los estudios que se han realizado, llegaron a la conclusión que el rendimiento térmico aumenta si el sobrecalentamiento de vapor se encuentra a altas temperaturas (con un límite máximo de 620°C), tanto en la caldera como en el condensador: para lograr que aumente la temperatura se debe aumentar la presión. Por otro lado también podemos decir que el rendimiento aumenta si es que se incrementa el número de etapas. Sin embargo trae un efecto secundario: excesiva humedad en el vapor a la salida de la turbina, es decir que ya no se encuentra saturada; lo que usualmente sería que el recalentamiento se mantenga hasta la entrada de la turbina. La solución que se le da a esta reacción es expandir el vapor en dos etapas y recalentarlas entre ellas, para maximizar el uso del vapor. 4.2
DIFERENCIA DE UN CICLO RANKINE CONVENCIONAL CON UN CICLO RANKINE ORGÁNICO (ORC)
Se usa fluidos orgánicos cuya volatilidad debe ser superior a la del agua. Esto hace que cada fluido tenga una campa diferente debido a sus propiedades internas, como por ejemplo entalpía, entropía y las fases en las que se encuentre. La pendiente de la línea de vapor saturado en el diagrama T-s es positiva, asegura que no habrá nunca mezcla bifásica a la salida de la turbina sino que todo será vapor sobrecalentado. Esto permite iniciar la expansión en la turbina desde vapor saturado, evitando así la inclusión de un sobrecalentador en la caldera de recuperación. La entalpía de vaporización de este tipo de fluidos es muy pequeña, ocurriendo casi todo el proceso de aceptación de calor en la zona de estado líquido. Esto permite que en dicho proceso la temperatura del ciclo se aproxime de forma casi permanente a la de la corriente caliente, con el consiguiente aumento de rendimiento y la reducción de irreversibilidades.
Fig ura 1: Cic lo R ankine Org ánico s imple
En la Figura 1 vemos un esquema muy simple de cómo funciona el ciclo Rankine orgánico. El fluido entra por la bomba y aumenta la presión hasta llegar a la caldera, por lo tanto es ahí donde aumenta la temperatura y genera vapor. El vapor es llevado a la turbina que se encarga de expandirlo, es decir que la presión disminuye y va hacia el condensador. En la última etapa el vapor “desperdiciado” es condensado para
maximizar su uso, por ende se encuentra dentro de la campana porque está en un estado de mezcla y no vapor sobrecalentado.
Fi g ura 2: Diag rama del ciclo Rankine org ánico s imple
El punto 4 de la Figura 2 es el punto de partida, es la presión y temperatura a la que se encuentra la bomba que está en el trayecto 4-1, en la cual ingresa trabajo. Como sabemos en la bomba aumenta la presión, por lo que en la etapa 1 mantiene el mismo vf que en la etapa 4 pero a una mayor temperatura. Luego el fluido en la trayectoria 1-2 se encuentra en la caldera que genera vapor debido al aumento de temperatura. En la etapa 2 el fluido se encuentra en la fase de vapor saturado y por ende, su calidad será 1 en la segunda presión. En el trayecto 2-3 está la turbina que se encarga de expandir al fluido, lo que significa que en el punto 3 disminuirá la presión pero en la zona bifásica, es decir, dentro de la campana. Y por último, es conocimiento general que siempre habrá cierta cantidad de desperdicios, es por eso que el vapor desechado será condensado para reutilizarlo en el trayecto 3-1 (condensador). 4.3
ECUACIONES DEL CICLO RANKINE ORGÁNICO:
Las ecuaciones utilizadas para determinar la eficiencia del ORC, se utiliza la primera y segunda ley de la Termodinámica. De igual manera es importante conocer que el rendimiento de trabajo del ciclo puede ser evaluado bajo diversas condiciones de trabajo, para diferentes fluidos orgánicos de trabajo. La figura presentada a continuación, indica la configuración sencilla de un Ciclo orgánico rankine (ORC por sus siglas en inglés) para convertir calor residual en energía eléctrica útil.
Figura 3: Configuración simple del ORC
4.4
PROCESO EN LA BOMBA:
Después del condensador, el fluido de trabajo sale como líquido saturado, y para ello se necesita encontrar la potencia de la bomba para poder hacer recircular el fluido orgánico dentro del circuito:
4.5
PROCESO EN EL EVAPORADOR:
En el evaporador se intercambia calor entre la fuente de calor y el fluido de trabajo, el cual es calentado hasta el punto de vapor sobrecalentado. La tasa de transferencia de calor del evaporador en el fluido de trabajo es:
4.6
PROCESO EN LA TURBINA:
El líquido orgánico de trabajo se encuentra sobrecalentado o vapor saturado, éste pasa a través de la turbina para generar energía mecánica, después el vapor se expande dentro de la turbina, existe una caída de presión (despresuriza) por los álabes de la turbina, la eficiencia de la turbina está dada por:
4.7
PROCESO EN EL CONDENSADOR:
El fluido orgánico de trabajo sale de las turbinasa y se dirige a presión constante hacia el condensador en estado líquido saturado debido al rechazo de calor latente en el medio ambiente o simplemente por líquido refrigerante del condensador. La tasa de transferencia de calor del evaporador en el fluido de trabajo está expresada como:
4.8 EFICIENCIA DEL ORC: La eficiencia térmica de este ciclo se define como el cociente entre la potencia neta del ciclo para la transferencia de calor del evaporador, y se expresa de la siguiente manera:
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MODELO MATEMÁTICO
5.1 ECUACIONES DEL MODELO A continuación se presentan las ecuaciones para la resolución del ciclo a partir de una serie de datos de partida y ecuaciones resultantes de la configuración del ciclo. Este apartado consta de dos partes diferenciadas. La primera, denominada PUNTO DE DISEÑO, expone el modelo establecido para evaluar el funcionamiento del ciclo en su punto nominal, y poder así dimensionar los equipos. El segundo apartado se trata el modelo de OPERACIÓN, que simula el funcionamiento del ciclo para operación fuera del punto nominal. Finalmente, el modelo PÉRDIDAS DE CARGA explica los pasos seguidos para calcular las pérdidas de carga entre elementos. Para poder desarrollar de mejor manera los cálculos, se debe tomar en cuenta las siguientes premisas: •
Fluido a utilizar en el Ciclo Rankine Orgánico: Isopentano
•
La caída de presión en un enfriador y evaporador será de 5 psi (0.034MPa).
Los valores de caudal, presión, temperatura, propiedades termo físicas, etc., del circuito del aceite térmico se encuentran en el apartado 2.
Fluido a utilizar en el Circuito para el condensador del ciclo Rankine Orgánico: Agua
El total de gases de combustión es de 2´795.190 GJ/año
5.2 PUNTO DE DISEÑO La evaluación se realizó con el simulador Hysys 7.2, se estableció ó fijó la composición del aceite térmico, la presión a la descarga de las bombas, la temperatura a la salida de los intercambiadores, de tal manera para que en cada punto del Circuito Rankine Orgánico, puedan ser conocidos los valores de temperatura, presión, flujo másico, etc. Estos datos se los puede observar de mejor manera en el Anexo D. Con èsta
simulación se facilita de mejor manera los cálculos y puede llegar a ser más fiable, en la Figura 4, se observa el circuito simulado.
Figura 4 Circuito de Aceite Térmico, Ciclo Rankine Orgánico y Circuito de Condensación, Simulado en HYSYS 7.2
4. Bibliografía
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BIBLIOGRAFÍA
ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DE UN CICLO RANKINE ORGÁNICO BASADO EN ENERGIA SOLAR EMPLEANDO DIFERENTES FLUIDOS DE TRABAJO (PDF). Recuperado
de:
https://www.researchgate.net/publication/260417583_ANALISIS_Y_OPTIMIZACION_D E_UN_CICLO_RANKINE_ORGANICO_BASADO_EN_ENERGIA_SOLAR_EMPLEAN DO_DIFERENTES_FLUIDOS_DE_TRABAJO el 18 de Mayo del 2016. Prácticas de Tecnología de Fluidos y Calor.Universidad de Sevilla.Ciclos con vapor. Escuela superior de Ingenieros, Universidad de Navarra. SCHUSTER, A.,KARELLAS, S.,KAKARAS, E., SPLIETHOFF, H. Energetic and economic investigation of organic rankine cycle applications. Applied thermal engineering,. 2009. Vol.29.