Simulación de condiciones de operación y fluidos de trabajo para ciclos Rankine orgánicos

Simulation of operating conditions and working fluids for organic Rankine cycles

En el presente trabajo se comparan condiciones de operación para diferentes fluidos en ciclos de Rankine orgánicos, que utilicen energías de bajo grado. Los fluidos estudiados fueron: R152a (1,1-difluroetano), R-290 (propano), R-600a (2-metilpropano o isobutano), R-744 (dióxido de carbono), y R-1270 (propileno). Se realizó la simulación del ciclo de Rankine orgánico y de sus modificaciones: ciclo con recalentamiento intermedio, ciclo de regeneración y ciclo con recalentamiento y regeneración. Se usó el simulador de procesos HYSYS v3.2. Los mejores resultados se alcanzaron para el ciclo con regeneración, aunque los rendimientos térmicos fueron inferiores al 10%. Se simularon condiciones de operación que permitieran superar este valor, lo cual se logró con el refrigerante R-600a en el ciclo Rankine con regeneración, que opere entre 3 500 kPa y 150 ºC a la entrada de la turbina, y 700 kPa en el condensador. Con ello se obtiene un rendimiento térmico de 15,33% y se producen 7,11 kW de potencia eléctrica.

1. INTRODUCCIÓN

El consumo cada vez mayor a nivel industrial y doméstico de la energía eléctrica, ha llevado a la utilización excesiva de fuentes de generación de energía. Estas causan un deterioro y consumo de recursos naturales provocando un impacto nocivo al medio ambiente, así como efectos indeseables en la atmósfera del planeta, producto de la emanación de gases contaminantes (Bautista-Ruiz, Díaz-Lagos & Martínez-Ovalle, 2017). Tal problemática obliga a distintos países a replantearse sus políticas en cuanto a generación eléctrica, con el objetivo de encontrar maneras más adecuadas para su producción (Vásquez, 2013).

Para realizar los procesos de recuperación energética a partir de calores residuales de procesos industriales, es necesario recurrir a las tecnologías de generación a partir de fuentes de calor de baja y media temperatura (menores a 250-300 °C). Estas no solo incluyen fuentes de calor residuales, sino que también abarcan las de energía renovable, como: la geotérmica, la solar y la aportada en la combustión de biomasa. La tecnología con más alto desarrollo en ese tema es el ciclo de Rankine orgánico (ORC, por sus siglas en inglés), con el cual se puede generar trabajo mecánico con una fuente de calor desde los 80 °C en dependencia del fluido de trabajo, pero con eficiencias termodinámicas bajas (Mikielewicz, 2010; Desintec Ingeniería, 2009).

Entre los compuestos orgánicos que pueden utilizarse en el ciclo de Rankine, se encuentran los refrigerantes, que poseen características físicas y químicas que atraen su interés. Entre ellas se pueden mencionar: la baja temperatura de ebullición, lo cual conduce a un menor consumo energético; la posibilidad de encontrar algunos de baja toxicidad, con lo que no se contribuiría a la contaminación ambiental ante posibles fugas; y el fácil acceso a ellos (Borshanpour & Wallace, 2011).