Ciclos Termodinámicos, Introducción del ciclo Rankine, Carlos Rubiano Matoma (2126791)

Resumen. A partir del ciclo ideal del rankine se desglosaran una serie de términos y conceptos, además de hacer el análisis de balance de energia y del comportamiento que presenta el ciclo rankine, se tomara muy en cuenta la parte de cómo esta actualmente en la industria y que procesos están utilizando las empresas para optimizar el proceso a nivel energético y económico.

Índice de Términos. Ciclo rankine ideal, balance de energia, producción de potencia, Ciclo Rankine orgánico, Biomasa, Eficiencia, Turbinas, análisis económico y energético.

Introducción al ciclo rankineEl ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia[1]. Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine [1].

El ciclo Rankine, el cual es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos [1] :

1-2 Compresión isentrópica en una bomba2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera3-4 Expansión isentrópica en una turbina4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador

Figura {1}: Ciclo Básico de Rankine [1]

Consideraciones del ciclo [1]:

El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado.

La temperatura del agua aumenta un poco durante este proceso de compresión.

El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el estado 2.

El agua Sale como vapor sobrecalentado en el estado 3. En el estado 4 el vapor es por lo general un vapor

húmedo con una alta calidad. El vapor sale del condensador como líquido saturado y

entra a la bomba.

ANALISIS DE ENERGIA DEL CICLO RANKINE.

Figura{2} : Ciclo Rankine Diseñado en Cyclepad

(1-1)

(1-2)

Se puede hacer la homologacion del trabajo de la bomba a partir de la siguiente relacion , sabiendo que es un procesos isentropico.

(1-3)

(1-4)

INTRODUCCION AL CICLO RANKINE

(C. Rubiano Matoma)

(Recibido: 14 de Mayo de 2015; Aprobado: 14 de Mayo de 2015)

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En la parte de energía de entrada como de salida tenemos : (1-5) (1-6)

La entrega de trabajo por la parte de la turbina es definida por:

(1-7)

De donde la eficiencia térmica para el ciclo Rankine está definida por :

(1-8)

El diagrama T-S del ciclo ideal del Ciclo Rankine

Figura{3} : Ciclo Rankine Diagrama T-S (Cyclepad)

Comparación del ciclo real con el ciclo idealizado [1] IRREVERSIBILIDADES La fricción del fluido Caída de presión en los tubos conectores El agua debe bombearse a una presión más alta. Pérdida de calor del vapor hacia los alrededores. En los condensadores, el líquido suele sub-enfriarse

para evitar el inicio de la cavitación. La potencia consumida por equipos auxiliares.

Cuando se habla de ciclos reales se debe tener en cuenta que los equipos que consumen y producen trabajo tendrán una eficiencia isotrópica definida {0-100%}, puesto que las temperaturas calculadas en el ciclo ideal son a través de una trayectoria isentrópica y es necesario considerar las temperaturas reales del ciclo para poder definir la eficiencia real del ciclo.

Figura{4} : Expansión Isentropica [1]

La Expansión isentropica está en función de la eficiencia isentropica y está definida por:

(1-9)

La compresión isentropica está definida de la siguiente manera:

Figura{5} : Compresión Isentropica [1]

(1-10)

Teniendo en cuenta lo anterior, la eficiencia de la turbina tiene un papel clave en la optimización del diseño de ciclos Rankine orgánicos[2], el cual se caracteriza por utilizar un medio orgánico de trabajo ( tales como hidrocarburos iso – pentano , iso-octano , tolueno o aceite de silicona) con propiedades termodinámicas favorables a temperaturas y presiones más bajas en lugar de agua ,además de que las temperaturas del ciclo serán más bajas,

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por lo cual no se necesita una fuerte fuente de calor, sino una de valores intermedios [2]. Otra característica que tiene este ciclo es que maneja temperaturas de 70 a 300 °c, debido a las mismas propiedades del aceite orgánico, porque en la expansión esta no conduce donde está el vapor húmedo sino se queda en la zona de vapor sobrecalentado [3].

Figura{6} : Etapas y equipos necesarios para ORC[4]

Figura{7} : Diagrama T-S ORC[4]

Puesto que no se requiere una caldera de vapor, los costes de inversión y mantenimiento son considerablemente menores que en plantas de vapor[3]. Otra ventaja frente a las turbinas de vapor convencionales es la posibilidad de operar a cargas parciales en un rango entre el 30% y el 100% de plena carga. Los ORC son bien conocidos para aplicaciones geotérmicas [5]

Para incrementar la eficiencia [4] puede utilizarse un regenerador entre la turbina y el condensador para precalentar el aceite orgánico. Además, puede utilizarse un economizador para recuperar el calor de los gases de escape de la caldera. Gracias a las bajas temperaturas, el aceite orgánico puede calentarse directamente en una caldera.

Ventajas del ORC: La valorización en electricidad de fuentes de calor

temperatura baja a partir de 70°C.

El aumento de la realización: la utilización de fluido a alta masa volumétrica permite alcanzar realizaciones excelentes, hasta para las pequeñas potencia.

Una fiabilidad más grande: el empleo de fluidos húmedos, cuyo descanso jamás genera goteo y limita pues los riesgos de corrosión de la turbina.

ACTUALMENTE COMO ES EL PROCESO DE RANKINEEl vapor de agua es el fluido de trabajo usado más comúnmente en ciclos de potencia de vapor debido a sus muchas y atractivas características, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización[1]. Por consiguiente, este ciclo se emplea mucho en centrales eléctricas de vapor, las cuales normalmente son llamadas centrales carboeléctricas, centrales nucleoeléctricas o centrales eléctricas de gas natural, según el tipo de combustible que empleen para suministrar calor al vapor[1]

Pero gracias a la utilización del ORC, la utilización de fluidos de trabajos diferentes del agua, parece ser una estrategia ganadora también desde el punto de vista económico, sobre todo para las naciones, como Italia, fuertemente dependiente de los combustibles fósiles importados. Además, el desarrollo y la mejora de un sector productivo nacional relacionado con la eficiencia energética pueden cargar a nuevas estrategias energéticas. En muchos países, la promoción de la utilización de recursos renovables se considera uno de los puntos principales para alcanzar el objetivo de reducir las emisiones de gases y optimización de generación de energía limpia.[6]

Algunas formas de optimizar el proceso

Como se plantea la utilización de energia geotérmica es muy utilizada, debido a que se encuentra a unos cuentos metros sobre nosotros, pero también está en estudio la consideración de la utilización de la biomasa para mejorar el rendimiento del ciclo además de ser un combustible más limpio.[7]

La ventaja de la biomasa tiene un marco amplio de aplicaciones en la industria pero todavía no es el tope máximo de las empresas, debido a que muy pocas la utilizan , pero es muy aplicada en cogeneración[8].

Para algunas proyecciones a futuro [7] se busca implementar varias nuevas integraciones híbridos de energía (CHP) impulsados por agua geotérmica de baja temperatura combinada de calor. En este caso, la razón principal es la optimización de la utilización de la fuente de calor en el vapor de la promoción de la potencia de salida neta del ciclo Rankine orgánico (ORC) como planta de energía que operan en los modelos de cogeneración de las variedades de parámetros de

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calentamiento de la planta.

Otra forma de optimizar el ORC es por medio de Dióxido de nitrógeno(N02) y Dióxido de carbono (CO2), no es muy utilizada, actualmente está en estado de prueba por Enertime[8] (empresa innovadora que trabaja con energia renovable y maneja ORC, Francia).

Figura{8} :enertime, Francia [8]

Según el estudio que ha hecho Enertime, el N2O es mejor en términos de potencia neta, eficiencia y N2O funciona presiones mucho más bajas en un funcionamiento óptimo; mientras que, el CO2 es ventajosa en términos de tamaño de la turbina, relación de expansión y el requisito de transferencia de calor [9]

El único problema que se ha encontrado es que hay una necesidad de equilibrio para la utilización de ellos para poder así optimizar el proceso lo más que se pueda [9]. Con el aumento de la elevación de temperatura del ciclo, la turbina será un requisito esencial para la expansión. Además de mayores de bombas y turbinas con eficiencias isotrópicas producen mayor presión óptima en la entrada de la turbina, y la menor necesidad de transporte de calor. Usos de intercambiador de calor interno y recalentamiento en el ciclo Rankine no sólo mejoran el rendimiento, sino que también constituye un excelente compromiso entre diversos indicadores de rendimiento basados optimizaciones, lo cual abre muchas puertas a energías alternativas con amplia gama de desarrollo en el futuro de las industrias generadoras de energia[8].

Proyecciones a futuro e idealizaciones.

En base a la parte híbrida se busca proyección en sistemas de multi-generacion en energías renovables haciendo uso de dos fuentes de energía[10], la biomasa y la geotérmica renovable, se combinan para ofrecer cinco salidas útiles para aplicaciones residenciales. Los productos energéticos de fuentes de biomasa se utilizan para conducir un ciclo orgánico de Rankine y una máquina de absorción de vapor y volverse a utilizar para secar el material húmedo en un secador industrial. Un sistema de doble flash se utiliza en el ciclo de energía geotérmica, que incluye una turbina de vapor de múltiples etapas. Flujos de salida de agua de los separadores y la turbina de vapor se utilizan para el agua utilizada en los hogares calentar.

Referencias

[1] Y. a. Cengel and M. E. Boles, “Termodinamica - Cengel 7th,” Termodinamica, p. 1456, 2011.

[2] C. Carcasci, R. Ferraro, and E. Miliotti, “Thermodynamic analysis of an organic Rankine cycle

for waste heat recovery from gas turbines,” Energy, vol. 65, pp. 91–100, Feb. 2014.

[3] D. Meinel, C. Wieland, and H. Spliethoff, “Economic comparison of ORC (Organic Rankine cycle) processes at different scales,” Energy, vol. 74, pp. 694–706, Sep. 2014.

[4] B. Peris, J. Navarro-Esbrí, F. Molés, R. Collado, and A. Mota-Babiloni, “Performance evaluation of an Organic Rankine Cycle (ORC) for power applications from low grade heat sources,” Appl. Therm. Eng., vol. 75, pp. 763–769, 2015.

[5] “ORC para Biomasa.” [Online]. Available: http://ostargi.biz/energia-y-frio-por-biomasa/orc/. [Accessed: 14-May-2015].

[6] A. Stoppato, “Energetic and economic investigation of the operation management of an Organic Rankine Cycle cogeneration plant,” Energy, vol. 41, no. 1, pp. 3–9, May 2012.

[7] M. Habka and S. Ajib, “Investigation of novel, hybrid, geothermal-energized cogeneration plants based on organic Rankine cycle,” Energy, vol. 70, pp. 212–222, Jun. 2014.

[8] “Enertime - Ciclo orgánico rankine para producción electricidad.” [Online]. Available: http://www.enertime.com/es/maquinas-a-ciclo-organico-de-rankine/tecnologia-y-principio. [Accessed: 03-Apr-2015].

[9] J. Sarkar, “Analyses and optimization of a supercritical N2O Rankine cycle for low-grade heat conversion,” Energy, vol. 81, pp. 344–351, 2015.

[10] M. Malik, I. Dincer, and M. A. Rosen, “Development and analysis of a new renewable energy-based multi-generation system,” Energy, vol. 79, pp. 90–99, Jan. 2015.

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