EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

21
EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC APROVECHANDO GASES RESIDUALES. EVALUATION OF REFRIGERANTS FOR AN ORC USING WASTE GASES. Castillo López Jorge Andrés. Borda Prieto Christian Iván. ** López Martínez Germán *** Resumen: Para la selección del fluido de trabajo apropiado para un Ciclo Rankine Orgánico (ORC) para la producción de 10 kWe mediante el aprovechamiento de gases residuales industriales, se realizó una Matriz Pugh con 15 posibles fluidos que, según el peso de parámetros termodinámicos como la presión y temperatura críticas, la temperatura de ebullición, la conductividad térmica y aspectos ambientales como el tiempo de vida en la atmosfera (ALT), el potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP), el potencial de calentamiento global (GWP) y la clasificación de seguridad de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), arrojó como resultado los 3 mejores refrigerantes (R601, R123, R601a) que cumplen con los parámetros termodinámicos establecidos para el sistema de ORC. Luego se procedió a calcular los estados termodinámicos teóricos y reales, trabajos y flujos de calor de los tres refrigerantes a determinadas relaciones de presión, resultando que el refrigerante que presento el mejor rendimiento fue el R123 con una valor de 10,64% en comparación con el R601 (9,94%) y el Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. [email protected] ** Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia [email protected] *** Ingeniero Mecánico, Fundación Universidad de América, Colombia. Msc. Ingeniería Mecánica, Universidad de los Andes, Colombia. Director del Grupo de Investigación de Energías Alternativas de la Universidad Distrital (GIEAUD). [email protected]

Transcript of EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

Page 1: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC

APROVECHANDO GASES RESIDUALES.

EVALUATION OF REFRIGERANTS FOR AN ORC USING WASTE

GASES.

Castillo López Jorge Andrés. Borda Prieto Christian Iván.** López Martínez Germán ***

Resumen: Para la selección del fluido de trabajo apropiado para un Ciclo Rankine Orgánico

(ORC) para la producción de 10 kWe mediante el aprovechamiento de gases residuales

industriales, se realizó una Matriz Pugh con 15 posibles fluidos que, según el peso de

parámetros termodinámicos como la presión y temperatura críticas, la temperatura de

ebullición, la conductividad térmica y aspectos ambientales como el tiempo de vida en la

atmosfera (ALT), el potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP), el potencial de

calentamiento global (GWP) y la clasificación de seguridad de la Sociedad Americana de

Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), arrojó como

resultado los 3 mejores refrigerantes (R601, R123, R601a) que cumplen con los parámetros

termodinámicos establecidos para el sistema de ORC. Luego se procedió a calcular los

estados termodinámicos teóricos y reales, trabajos y flujos de calor de los tres refrigerantes a

determinadas relaciones de presión, resultando que el refrigerante que presento el mejor

rendimiento fue el R123 con una valor de 10,64% en comparación con el R601 (9,94%) y el

Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia.

[email protected] **

Estudiante de Ingeniería Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia

[email protected] ***

Ingeniero Mecánico, Fundación Universidad de América, Colombia. Msc. Ingeniería Mecánica, Universidad

de los Andes, Colombia. Director del Grupo de Investigación de Energías Alternativas de la Universidad Distrital (GIEAUD). [email protected]

Page 2: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

R601A (10,04%) a una relación de presiones de 1:6,25. Finalmente se concluyó que para un

sistema ORC para la producción de 10 kWe a una presión de entrada al expansor de 2,5

MPa y una de entrada a la bomba de 0,4 MPa, el refrigerante R123 mostró el mejor

comportamiento.

Palabras clave: Ciclo Rankine Orgánico, CRO, Gases Residuales, Refrigerantes, R123,

R601, R601a, Matriz Pugh.

Abstract: For the selection of the appropriate working fluid for an organic Rankine cycle

system, ORC, for the production of 10 kWe through the use of industrial waste gases, was

made a Pugh Matrix with 15 possible fluids that, according to the weight of thermodynamic

parameters, such as critical pressure and temperature, boiling temperature, thermal

conductivity and environmental aspects such as Life Time in the Atmosphere (ALT), Depletion

Potential of the Ozone layer (ODP), Global Warming Potential (GWP) and the safety

classification of the American Society of Engineers of Heating, Refrigeration and Air

Conditioning (ASHRAE), resulted in the 3 best refrigerants (R601, R123, R601a) that meet

the thermodynamic parameters established for the ORC system. Then proceeded to calculate

the real and theoretical thermodynamic states, work in the expander and heat flows of the

three refrigerants at certain pressure ratios, resulting the refrigerant that showed the highest

performance was R123 with a value of 10.64% compared to R601 (9.94%) and R601A

(10.04%) at a pressure ratio of 1: 6.25. Finally, it is concluded that for an ORC system for the

production of 10 kWe at an input pressure to the expander of 2.5 Mpa and an input to the

pump of 0.4 Mpa, the refrigerant R123 shows the best behavior.

Key Words: Organic Rankine Cycle, Waste Gases, Refrigerants, R123, R601, R601a,

Pugh Matrix.

Page 3: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

1. Introducción

Cada vez son más los esfuerzos para disminuir las emisiones de CO2 mediante tratados

internacionales como el Protocolo de Kyoto, aprobado en 1997 y ratificado por 156 países, y

el acuerdo de París 2015, donde se establecieron el objetivo de reducir las emisiones de

gases de efecto invernadero asignando responsabilidades a los grandes generadores de

contaminación en el mundo.

El consumo energético en Colombia ha aumentado considerablemente a través del tiempo,

por lo tanto, cada día se hace necesario la adaptación de nuevas formas de producción

energética cómo por ejemplo las energías alternativas. Según la proyección hecha por la

Unidad de Planeación Minero Energética, UPME [1] estimó que para el año 2018 la demanda

de energía eléctrica llegaría a 68.832 GW-h, y para 2028 89.349 GW-h; esto propone un gran

reto para el Sistema Interconectado Nacional para suplir las necesidades energéticas de la

nación de forma responsable.

Un punto de partida para la implementación de energías alternativas mediante cogeneración

lo propone Paredes et. al. [2] en una investigación conjunta entre las universidades de

Oviedo en España, la Universidad Nacional de Medellín y la Universidad de Antioquia, donde

se realizó un estudio acerca de la implementación de un Ciclo Rankine Orgánico (ORC en

adelante) en una empresa de la industria cementera, cuyo resultado fue que el 19.2% del

calor desechado en las chimeneas podía ser aprovechado generando unos 5,5 GWh/año en

energía eléctrica y 23,7 GWh/año de energía térmica. De esta forma se contribuye a

incentivar las investigaciones que busquen alternativas a la vanguardia tecnológica para la

producción de energía limpia.

Un antecedente próximo a la presente investigación es un proyecto de grado realizado en la

Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, según Días, et. al.

[3] determino que uno de los mayores problemas para la implementación de la tecnología

Page 4: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

ORC fue que el proceso de selección del fluido de trabajo era confuso y dispendioso, por lo

tanto desarrollo un software que permite la comparación de las características de varios

fluidos orgánicos, como por ejemplo el R22, el R134A, el R123, y el R409; así mismo permite

comparar y seleccionar el fluido con el mejor comportamiento y eficiencia dentro de un Ciclo

Rankine Orgánico.

En Colombia todavía existen algunas industrias que generan grandes cantidades de

emisiones de gases residuales a la atmosfera, causando perjuicios ambientales y

desperdiciando su potencial calorífico al ser expulsados por las chimeneas; esta situación

motivó el desarrollo de la presente investigación, donde se busca aprovechar el calor residual

en una empresa industrial para la generación de energía eléctrica mediante el Ciclo Rankine

Orgánico (ORC, por sus siglas en inglés), en donde se busca evaluar diversos refrigerantes

industriales que se consiguen en el mercado nacional, para seleccionar el más apropiado

para las condiciones termodinámicas de diseño.

2. Desarrollo de la investigación

2.1 Ciclo Rankine Orgánico

El sistema de ORC es un ciclo de potencia que basa su funcionamiento en la transformación

de energía en forma de calor en trabajo. En primera instancia el refrigerante líquido es

impulsado por una bomba hasta una presión menor a la presión critica, y luego conducido

hasta un evaporador, que intercambia calor con los gases residuales industriales producto de

un proceso de combustión, en este punto el refrigerante gana calor sensible, aumenta su

entropía, por lo tanto sube su temperatura y se evapora completamente, de allí el

refrigerante es conducido por ductos aislados térmicamente e ingresa a un elemento

expansor, donde choca contra las hélices de la turbina y genera su giro. El elemento

expansor a su vez está conectado con un generador para transformar el movimiento

Page 5: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

rotacional del eje en energía eléctrica acumulable. El refrigerante pierde presión y

temperatura a causa de la expansión, pero aun su fase es vapor sobrecalentado (esto

dependiendo de la pendiente de la curva T-S de cada refrigerante), por lo que se necesita

transformarlo de nuevo en liquido por medio de un condensador, que intercambia con agua a

condiciones ambientales de presión y temperatura. El fluido de trabajo sale del condensador

en fase liquida para de nuevo ingresar a la bomba y reanudar el ciclo. En la figura 1 se

muestran los cinco elementos: Evaporador, Expansor, Condensador, Bomba y Generador

trifásico que acompaña el expansor, donde se muestran los 4 estados analizados:

El estado 1 corresponde a la entrada al expansor y tiene la presión mayor del ciclo, así

como un estado físico de vapor saturado seco.

El estado 2 corresponde a la entrada del condensador y tiene la presión menor del

ciclo.

El estado 3 corresponde a la entrada a la bomba y tiene una presión igual al estado 2,

además de un estado físico de líquido saturado.

El estado 4 corresponde a la entrada al evaporador y tiene una presión al estado 1.

Figura. 1. Diagrama de ORC. Fuente: elaboración propia de los autores.

Page 6: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

La Figura 2 muestra el sistema ORC propuesto modelado mediante software especializado,

allí pueden observarse los 5 componentes que conforman el ciclo termodinámico, el

expansor, el generador eléctrico, el evaporador, el condensador y la bomba. También se

muestran accesorios como reducciones en las tuberías de conducción, manómetros para la

verificación de la presión nominal de trabajo (antes y después del expansor) y las válvulas

necesarias para el correcto funcionamiento del ORC (Válvula de cierre antes de la bomba y

válvula de cheque después de la bomba).

Figura. 2. Modelo CAD de ORC de 10 kWe, Fuente: elaboración propia de los autores.

2.1 Selección de Fluido de Trabajo

Inicialmente, se realiza la búsqueda y recolección de información acerca de los refrigerantes

más comerciales como fuente principal Handbook de la ASHRAE® [4]; de esta primera

compilación se obtienen 27 posibles fluidos de trabajo (listados en la Tabla 1). Un primer filtro

consiste en descartar aquellos fluidos que presentan una mezcla zeotrópica, pues esto

significa que cada componente de la mezcla posee una temperatura de ebullición diferente,

es decir, en un determinado punto del sistema podrían tenerse dos fases diferentes en el

fluido de trabajo, lo cual generaría daños en alguno de los equipos del sistema por lo tanto se

Page 7: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

descartan los refrigerantes: R401A, R404A, R407A, R407B, R407C, R409A, R410A, R417A,

y R422A destacados en rojo en la Tabla 1.

R11 R404A R407C R601

R12 R502 R410A R601A

R22 R507 R417A R610

R123 R508A R422A R611

R134a R717 R508B R409A

R141b R407A R600A R401A

R290 R407B R113

Tabla 1. Lista de posibles fluidos de trabajo. Fuente: elaboración propia de los autores.

Seguidamente, se descartan aquellos fluidos de tipo húmedo debido a que su respectiva

curva de vapor saturado sobre un diagrama temperatura vs entropía (T-s), tiene una

pendiente negativa, lo cual no resulta conveniente para el sistema, puesto que cuando el

fluido se expanda, puede cambiar de fase y terminar dentro de la campana de saturación, lo

que quiere decir que cuando el refrigerante ingrese a la bomba hay partículas de líquido

presentes en el refrigerante, lo que puede estropear el equipo. Los refrigerantes descartados

con pendiente negativa en el diagrama Temperatura-Entropía son el R290, el R502 y el

R508B destacados en amarillo en la Tabla 1. De esta forma el número de posibles fluidos de

trabajo se reduce a 15 refrigerantes.

La selección final se realiza mediante una matriz de Pugh con propiedades termodinámicas

consultadas en [4] (presión y temperatura críticas, temperatura de ebullición, conductividad

térmica), impacto sobre el ambiente (ALT, ODP, GWP) y clasificación de seguridad de cada

refrigerante como criterios de evaluación. Donde cada uno de estos criterios se comparan y

evalúan respecto a un parámetro establecido, de forma independiente y en cada refrigerante;

esta evaluación asigna un valor de “+1” al criterio que obedece al parámetro establecido, un

Page 8: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

valor de “-1” al criterio que va en contra del parámetro establecido y un valor de “0” al criterio

que no es posible evaluar.

Luego se determina niveles de importancia para cada criterio (desde nivel 5 para los criterios

de mayor importancia, hasta nivel 1 para los criterios de menor importancia), para finalmente

realizar la sumatoria de productos entre los valores asignados y el nivel de importancia de

cada criterio, y de esta forma identificar los refrigerantes con mayor puntuación.

Finalmente, la matriz de selección dio como mejores refrigerantes el R123, R601 (Pentano),

R601A (Isopentano).

2.2 Determinación de Estados Termodinámicos, Trabajo y Calor en el Ciclo Rankine

Orgánico

La metodología que se sigue para el cálculo de los estados teóricos del ORC se muestra a

continuación, tomando como referencia a Cengel et. al. [5], y el diagrama Temperatura vs

Entropía de la Figura 3, donde cabe aclarar que, según Saleh et. al. [6] el ciclo de ORC

propuesto es un ciclo subcrítico puesto que la presión mayor es 2,5 MPa (establecida

gráficamente de manera que en el proceso de expansión se evite un cambio de fase en el

fluido) y no sobrepasa la presión critica de ningún fluido de trabajo. A continuación se

muestra el paso a paso para el cálculo de las propiedades termodinámicas de cada

refrigerante:

Page 9: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

1) Estado 1, salida del evaporador: Se plantea una relación de presiones que no

sobrepase 1:8 [según Wang et. al] [7], ni la presión crítica. Como producto de varias

iteraciones dicha relación fue de 1:6,25. Luego se halló la temperatura de ebullición del

refrigerante a dicha presión. Para la determinación de dicha temperatura se utilizó el

Software Engineering Equation Solver (EES) donde las variables de entrada son la presión y

la calidad en fase de vapor saturado seco (es decir X=1). Posteriormente se determina de la

entropía (S) y la entalpia (h) con las mismas variables de entrada.

2) Estado 2, salida del Scroll Expander: Para el estado 2, se asume una expansión

isentrópica para los estados teóricos o ideales, por lo tanto, la entropía del estado 1 es la

misma del estado 2. En cuanto a la presión, ya que en el estado 1 se estableció una relación

de presiones, la presión menor es la correspondiente a este punto. Para la determinación de

la temperatura en este punto, esta se halla con la presión y la entropía ya conocida.

3) Estado 3, Salida del Condensador: El intercambio de calor del refrigerante cuando

ingresa al condensador y cambia su fase a líquido saturado es un proceso a presión

constante, por lo tanto, la presión del estado 3 es la misma presión del estado 2. Para el

cálculo de la temperatura se usan la presión determinada y la calidad x = 0 dentro del

Software EES, puesto que corresponde a la fase de liquido saturado. Ya con la presión y la

temperatura se procedió a hallar la entropía y la entalpia del estado 3.

4) Estado 4, Salida de la Bomba: El proceso de compresión se asume isentrópico, por lo

tanto, la entropía 4 es la misma del estado 3. Y la presión nuevamente es 2,5 MPa. Ya con

estas propiedades intensivas se determinan la temperatura y la entalpia, mediante el

software EES.

5) Determinación de la potencia y del trabajo del expansor: La determinación de la

potencia del expansor se determina multiplicando el flujo másico por el trabajo que debe

Page 10: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …
Page 11: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …
Page 12: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …
Page 13: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …
Page 14: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …
Page 15: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

P1 [MPa] 2,5 m [kg/s] 0,3236

T1 [ºC] 160,1 q.ad [kJ/kg] 189,5

S1 [kJ/KgK] 1,711 w neto [kJ/kg] 29,2

h1 [kJ/kg] 468 Ef. Ciclo 0,1541

S2 [kJ/kgK] 1,711 Ef. Turbina 0,7

P2 [MPa] 0,4 wt' [kJ/kg] 21,63

T2 [ºC] 84,98 h2' [kJ/kg] 446,37

h2 [kJ/kg] 437,1 S2' [kJ/kgK] 1,736

wt [kJ/Kg] 30,9 T2' [ºC] 96,26

P3 [MPa] 0,4 m' [kg/s] 0,4623

T3 [ºC] 72,15 q' rechazo [kJ/kg] 169,57

S3 (kJ/kgK] 1,248 q’ Neto de Rechazo [kJ] 78,40

h3 [kJ/kg] 276,8 Ef. Bomba 0,85

v3 [m3/kg] 0,0007492 wB' [kJ/kg] 1,445

q rechazo [kJ/kg] 160,3 h4' kJ/kg] 275,355

S4 [kJ/kgK] 1,248 S4' [kJ/kgK] 1,239

P4 [MPa] 2,5 T4' [ºC] 70,51

T4 [ºC] 73,39 q' ad [kJ/kg] 192,645

h4 [kJ/kg] 278,5 q’ Neto de Adición [kJ] 89,0638

wB [kJ/kg] 1,7 Ef.' Ciclo 0,1063

Tabla 2. Propiedades y Resultados R123. Fuente: elaboración propia de los autores.

Este tipo de ciclos subcríticos dependen de la temperatura de los gases de escape que

alimentan el evaporador, puesto que la transferencia de calor de los gases al refrigerante se

determina a partir del delta de temperatura entre los dos fluidos. En la figura 3 se puede

observar que la pendiente positiva del refrigerante no tiene tanta inclinación, lo cual se puede

decir que es cuasi isentrópica, lo cual favorece el proceso de expansión del fluido.

Figura. 3. Diagrama T-s del ORC propuesto. Fuente: elaboración propia de los autores.

Page 16: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

3.2 ANALISIS DEL REFRIGERANTE R601 (Pentano)

Para el refrigerante R601 se muestran en la tabla 3 los resultados obtenidos en el cálculo de

estados termodinámicos en el ciclo propuesto. Se evidencia en la tabla mencionada, que la

eficiencia real del ciclo es de 9,94 %, lo cual la pone por debajo del rendimiento del R123.

P1 [MPa] 2,5 m [kg/s] 0,14749

T1 [ºC] 176,8 q.ad [kJ/kg] 437,9

S1 [kJ/KgK] 1,476 w neto [kJ/kg] 64,0368

h1 [kJ/kg] 583,9 Ef. Ciclo 0,14624

S2 [kJ/kgK] 1,476 Ef. Turbina 0,7

P2 [MPa] 0,4 wt' [kJ/kg] 47,46

T2 [ºC] 111,6 h2' [kJ/kg] 536,44

h2 [kJ/kg] 516,1 S2' [kJ/kgK] 1,528

wt [kJ/Kg] 67,8 T2' [ºC] 121,1

P3 [MPa] 0,4 m' [kg/s] 0,2107

T3 [ºC] 83,44 q' rechazo [kJ/kg] 394,24

S3 (kJ/kgK] 0,4335 q’ Neto de Rechazo [kJ] 83,0678

h3 [kJ/kg] 142,2 Ef. Bomba 0,85

v3 [m3/kg] 0,00179 wB' [kJ/kg] 3,19872

q rechazo [kJ/kg] 373,9 h4' kJ/kg] 139,001

S4 [kJ/kgK] 0,4335 S4' [kJ/kgK] 0,4139

P4 [MPa] 2,5 T4' [ºC] 81,86

T4 [ºC] 84,53 q' ad [kJ/kg] 444,899

h4 [kJ/kg] 146 q’ Neto de Adición [kJ] 93,7418

wB [kJ/kg] 3,7632 Ef.' Ciclo 0,09949

Tabla 3. Resultados R601 (Pentano). Fuente: elaboración propia de los autores

La figura 4 muestra el diagrama Temperatura – Entropía del Pentano, donde se diferencia de

los otros fluidos que este tiene la más alta temperatura de ebullición a una presión de 2,5

MPa. Se evidencia que la pendiente de la curva está bastante inclinada, lo cual puede que

resulte más difícil condensar el fluido por la distancia que hay que recorrer hasta llegar al

estado de líquido subenfriado en el estado 4.

Page 17: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

Figura. 4. Diagrama temperatura vs entropía de un ORC con los estados propuestos y

refrigerante R601. Fuente: elaboración propia de los autores.

3.3 ANALISIS DEL REFRIGERANTE R601a

Por último se muestran los resultados obtenidos para el refrigerante R601a en la Tabla 4,

donde se evidencia que la eficiencia del fluido en el ciclo es de 10,04 % lo que quiere decir

que es el segundo mejor desempeño para la generación de potencia en el ciclo ORC

propuesto.

P1 [MPa] 2,5 m [kg/s] 0,15

T1 [ºC] 167,9 q.ad [kJ/kg] 426,4

S1 [kJ/KgK] -0,2842 w neto [kJ/kg] 62,954

h1 [kJ/kg] 199,4 Ef. Ciclo 0,148

S2 [kJ/kgK] -0,2842 Ef. Turbina 0,7

P2 [MPa] 0,4 wt' [kJ/kg] 46,69

T2 [ºC] 104 h2' [kJ/kg] 152,71

h2 [kJ/kg] 132,7 S2' [kJ/kgK] -0,2317

wt [kJ/Kg] 66,7 T2' [ºC] 113,4

P3 [MPa] 0,4 m' [kg/s] 0,214

T3 [ºC] 74,6 q' rechazo [kJ/kg] 383,31

S3 (kJ/kgK] -1,322 q’ Neto de Rechazo [kJ] 82,097

h3 [kJ/kg] -230,6 Ef. Bomba 0,85

v3 [m3/kg] 0,00178 wB' [kJ/kg] 3,1844

q rechazo [kJ/kg] 363,3 h4' kJ/kg] -233,78

S4 [kJ/kgK] -1,322 S4' [kJ/kgK] -1,342

P4 [MPa] 2,5 T4' [ºC] 72,94

T4 [ºC] 75,63 q' ad [kJ/kg] 433,184

h4 [kJ/kg] -227 q’ Neto de Adición [kJ] 92,779

wB [kJ/kg] 3,7464 Ef.' Ciclo 0,1004

Page 18: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

Tabla 4. Resultados R601A (Isopentano). Fuente: elaboración propia de los autores.

La Figura 5 muestra el diagrama temperatura – entropía del refrigerante R601a, donde se

puede notar que la temperatura de condensación ronda los 75 ° C, lo que quiere decir que la

transferencia de calor del el agua en el condensador va a ser muy baja puesto que el

parámetro de LMTD no es tan alto entre los dos fluidos, lo que implica un equipo más

robusto.

Figura. 5. Diagrama temperatura vs entropía de un ORC con los estados propuestos y

refrigerante R601A. Fuente: elaboración propia de los autores.

Como puede observarse en las tablas 2, 3 y 4 el refrigerante con mejor rendimiento o

eficiencia es el R123 (10.63%); sin embargo, también es importante analizar otros resultados

presentados en estas tablas, como lo son el calor de adición y rechazo, el trabajo del

expansor y el trabajo de la bomba, y el flujo másico de refrigerante.

Respecto al calor de adición en el evaporador el R123 presenta un calor especifico

adicionado de 192.65 kJ/kg, mientras que en el R601 es de 444.90 kJ/kg, y para el R601A

este calor es de 433.18 kJ/kg. Donde evidentemente el R123 posee el mejor resultado

traduciéndose esto en un menor tamaño del equipo, menor coste energético del sistema, y

Page 19: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

aunque debe tenerse en cuenta el calor de rechazo en el condensador, con este valor puede

generar una mayor eficiencia térmica en el ciclo.

Otro resultado que debe tenerse en cuenta es el trabajo específico realizado por el expansor,

donde nuevamente el R123 obtiene el mejor valor con 21.63 kJ/kg. Los valores obtenidos por

el R601 y R601A fueron 47.46% y 46.69% respectivamente. Un valor bajo en el trabajo

específico del expansor puede reducir tanto el tamaño del equipo directamente como su

costo.

Para el cálculo y análisis comparativo de la eficiencia térmica del ciclo, es necesario observar

el calor específico de rechazo del ciclo para cada refrigerante, dichos valores son 169.57

kJ/kg para el R123, 394.24 kJ/kg para el R601, y 383.31 kJ/kg para el R601A. Aunque el

valor de calor de rechazo del R123 resulta distante en comparación con los valores del R601

y R601A, la eficiencia térmica (calor de rechazo / calor de adición) arroja valores bastante

similares para estos refrigerantes, siendo estos 88.02% para el R123, 88.61% para el R601 y

88.49% para el R601A. Por otro lado, un calor de rechazo alto en un sistema de ORC puede

traducirse en un mejor aprovechamiento energético para lo cual el R601 o el R601A resultan

mejor opción. En cuanto al trabajo específico realizado por la bomba, los resultados

obtenidos son 1.45 kJ/kg para el R123, 3.20 kJ/kg para el R601 y 3.18 kJ/kg para el R601A.

Un valor bajo de este trabajo puede significar la disminución en el tamaño y costo de la

bomba, así como un bajo consumo energético en este equipo.

Finalmente, el flujo másico de refrigerante resulta de gran importancia para el sistema, tanto

en el aspecto del costo como del propio consumo, teniendo en cuenta la aparición de

posibles fugas dentro del sistema, aunque esté siempre se ha considerado como un ciclo

Page 20: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

cerrado. Los valores de flujo másico son 0.46 kg/s para el R123, y 0.21 kg/s tanto para el

R601 como para el R601A.

4. Conclusiones

Se seleccionó el fluido de trabajo apropiado después de una matriz de decisión y

selección de 3 refrigerantes (R601, R123, R610) para luego calcular los estados

termodinámicos teóricos de los tres a diferentes presiones y el que mejor eficiencia

obtuvo fue el R123 a una relación de presión de 1:6,25.

Referencias

[1] UPME, Ministerio de Minas y Energía, Unidad de Planeación Minero Energética,

“Proyección de Regional de Demanda de Energía Eléctrica y Potencia Máxima en

Colombia, Revisión 2017”, agosto, 2017. 72 pp.

[2] José, Paredes, et. al., “Aprovechamiento del calor residual por cogeneración con

Ciclo Rankine Orgánico en la industria del cemento Portland”, Revista: DYNA, Vol. 82, Ed.

194, pp.15-20, diciembre, 2015.

[3] DIAS, Javier; VARGAS, Fabio. Diseño de una aplicación software para comparar el

rendimiento de fluidos de trabajo en Ciclo Rankine Orgánico. [En Línea] Para optar al

título de: Ingeniero Mecánico. [Consultado el 26 de Febrero de 2018] 2016. Disponible en:

http://repository.udistrital.edu.co/handle/11349/7558

[4] ASHRAE® (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers) Handbook. Fundamentals. SI Edition. Atlanta. 2013.

[5] Y. Cengel, M. Boles, “Termodinámica”, México D.F. Mc Graw Hill, 7ª Edición, 2012,

1041 pp.

Page 21: EVALUACIÓN DE REFRIGERANTES PARA UN ORC …

[6] B. Saleh, G. Koglbauer, M. Wendland y J. Fischer. Working fluids for low

temperature organic Rankine cycles. 2007.

[7] WANG, E.H., ZHANG H.G., FAN B.Y., OUYANG M.G., ZHAO Y., y MU Q.H. Study

of working fluid selection of organic ranking cycle (ORC) for engine waste heat recovery.

En: El Sevier. [Base de Datos En línea]. Pinleyuan: College of Environmental and Energy

Engineering, Beijing University of Technology. 2011., 13 p. [Consultado el 11 de diciembre

de 2017]