Ciclo Rankine orgánico

En ingeniería térmica , el ciclo Rankine orgánico ( ORC ) es un tipo de ciclo termodinámico . Es una variación del ciclo Rankine, llamado así por el uso de un fluido orgánico de alta masa molecular (en comparación con el agua) cuya temperatura de vaporización es inferior a la del agua . Este fluido permite la recuperación de calor de fuentes de baja temperatura, como la combustión de biomasa, el calor residual industrial , el calor geotérmico , los estanques solares , etc. El calor de baja temperatura se convierte en trabajo útil , que a su vez puede transformarse en electricidad .

La tecnología fue desarrollada a finales de la década de 1950 por Lucien Bronicki y Harry Zvi Tabor . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los motores de nafta , similares en principio a los ORC pero desarrollados para otras aplicaciones, se utilizaban ya en la década de 1890.

El principio de funcionamiento del ciclo Rankine orgánico es el mismo que el del ciclo Rankine : el fluido de trabajo se bombea a una caldera donde se evapora, pasa a través de un dispositivo de expansión (turbina, ^{[ 3 ]} tornillo, ^{[ 4 ]} espiral, ^{[ 5 ]} u otro expansor) y luego a través de un intercambiador de calor de condensador donde finalmente se vuelve a condensar.

En el ciclo ideal descrito por el modelo teórico del motor, la expansión es isoentrópica y los procesos de evaporación y condensación son isobáricos .

En cualquier ciclo real, la presencia de irreversibilidades reduce la eficiencia del ciclo . Estas irreversibilidades ocurren principalmente: ^{[ 6 ]}

• Durante la expansión: Solo una parte de la energía recuperable de la diferencia de presión se transforma en trabajo útil. La otra parte se convierte en calor y se pierde. La eficiencia del expansor se define comparándola con una expansión isoentrópica.
• En los intercambiadores de calor: El fluido de trabajo recorre un camino largo y sinuoso que garantiza un buen intercambio de calor, pero provoca caídas de presión que reducen la potencia recuperable del ciclo. Asimismo, la diferencia de temperatura entre la fuente/sumidero de calor y el fluido de trabajo genera destrucción de exergía y disminuye el rendimiento del ciclo.

La tecnología del ciclo Rankine orgánico tiene muchas aplicaciones posibles y cuenta con más de 2,7 GW de capacidad instalada y 698 centrales eléctricas identificadas en todo el mundo. ^{[ 7 ]} Entre ellas, los campos más extendidos y prometedores son los siguientes: ^{[ 8 ]}

La selección del fluido de trabajo es de vital importancia en los ciclos Rankine de baja temperatura. Debido a la baja temperatura, las ineficiencias en la transferencia de calor son muy perjudiciales. Estas ineficiencias dependen en gran medida de las características termodinámicas del fluido y de las condiciones de operación.

Para recuperar calor residual, el fluido generalmente tiene un punto de ebullición inferior al del agua. Los refrigerantes y los hidrocarburos son dos componentes de uso común.

Características óptimas del fluido de trabajo:

• Curva de vapor de saturación isentrópica :

Dado que el objetivo del ciclo ORC es la recuperación de energía térmica de baja temperatura, un enfoque de sobrecalentamiento como el del ciclo Rankine tradicional no resulta apropiado. Por lo tanto, siempre se preferirá un ligero sobrecalentamiento a la salida del evaporador, lo cual resulta desventajoso para los fluidos húmedos (que se encuentran en estado bifásico al final de la expansión). En el caso de fluidos secos, se debe utilizar un regenerador.

• Bajo punto de congelación, alta temperatura de estabilidad:

A diferencia del agua, los fluidos orgánicos suelen sufrir deterioro químico y descomposición a altas temperaturas. Por lo tanto, la temperatura máxima de la fuente de calor está limitada por la estabilidad química del fluido de trabajo. El punto de congelación debe ser inferior a la temperatura más baja del ciclo.

• Alto calor de vaporización y densidad:

Un fluido con un alto calor latente y una alta densidad absorberá más energía de la fuente en el evaporador y, por lo tanto, reducirá el caudal necesario, el tamaño de la instalación y el consumo de la bomba.

• Bajo impacto ambiental

Los principales parámetros que se tienen en cuenta son el potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) y el potencial de calentamiento global (PCG).

• Seguridad

El fluido debe ser no corrosivo, no inflamable y no tóxico. La clasificación de seguridad de refrigerantes de ASHRAE puede utilizarse como indicador del nivel de peligrosidad del fluido.

• Buena disponibilidad y bajo costo
• Presiones aceptables

La simulación de ciclos ORC requiere un solucionador numérico en el que se implementen las ecuaciones de balance de masa y energía, transferencia de calor, caídas de presión, pérdidas mecánicas, fugas, etc.

Los modelos ORC se pueden subdividir en dos tipos principales: de estado estacionario y dinámicos. Los modelos de estado estacionario son necesarios tanto para el diseño (o dimensionamiento) como para la simulación a carga parcial.

Por otro lado, los modelos dinámicos también tienen en cuenta la acumulación de energía y masa en los diferentes componentes. Son especialmente útiles para implementar y simular estrategias de control, por ejemplo, durante transitorios o durante el arranque y la parada.

Otro aspecto clave del modelado de ORC es el cálculo de las propiedades termodinámicas del fluido orgánico . Deben evitarse las ecuaciones de estado (EOS) simples, como la de Peng-Robinson, debido a su baja precisión. Se recomienda el uso de EOS multiparamétricas, empleando, por ejemplo, bases de datos de propiedades termofísicas y de transporte de última generación.

Para los fines mencionados, existen diversas herramientas, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Aquí se describen las más comunes.

• Ciclo Rankine
• Ciclo termodinámico
• Costo relativo de la electricidad generada por diferentes fuentes
• Lanzamiento de nafta
• fluidos de trabajo
• Dinámica de fluidos compresibles no ideales

• Centro de conocimiento sobre el ciclo Rankine orgánico