Ciclo transcrítico

Un ciclo transcrítico es un ciclo termodinámico cerrado donde el fluido de trabajo pasa por estados subcríticos y supercríticos . En particular, para los ciclos de potencia , el fluido de trabajo se mantiene en la región líquida durante la fase de compresión y en condiciones de vapor y/o supercríticas durante la fase de expansión. El ciclo Rankine de vapor ultrasupercrítico representa un ciclo transcrítico generalizado en el campo de la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles , donde se utiliza agua como fluido de trabajo. ^[1] Otras aplicaciones típicas de los ciclos transcríticos para la generación de energía están representadas por los ciclos Rankine orgánicos , ^[2] que son especialmente adecuados para explotar fuentes de calor de baja temperatura, como la energía geotérmica , ^[3] aplicaciones de recuperación de calor ^[4] o plantas de conversión de residuos en energía . ^{[5] Con respecto a los ciclos subcríticos, el ciclo transcrítico explota por definición} relaciones de presión más altas , una característica que en última instancia produce mayores eficiencias para la mayoría de los fluidos de trabajo . Considerando entonces también los ciclos supercríticos como una alternativa válida a los transcríticos, estos últimos ciclos son capaces de alcanzar trabajos específicos más altos debido a la importancia relativa limitada del trabajo de compresión. ^[6] Esto evidencia el potencial extremo de los ciclos transcríticos para el propósito de producir la mayor potencia (medible en términos del trabajo específico del ciclo) con el menor gasto (medible en términos de energía gastada para comprimir el fluido de trabajo).

Mientras que en los ciclos supercríticos de un solo nivel ambos niveles de presión están por encima de la presión crítica del fluido de trabajo, en los ciclos transcríticos un nivel de presión está por encima de la presión crítica y el otro por debajo. En el campo de la refrigeración, el dióxido de carbono , CO ₂ , se considera cada vez más de interés como refrigerante . ^{[7] [8] [9] [10]}

En los ciclos transcríticos, la presión del fluido de trabajo en la salida de la bomba es mayor que la presión crítica, mientras que las condiciones de entrada son cercanas a la presión del líquido saturado a la temperatura mínima dada.

Durante la fase de calentamiento, que normalmente se considera un proceso isobárico , el fluido de trabajo supera la temperatura crítica , pasando así de la fase líquida a la supercrítica sin que se produzca ningún proceso de evaporación , una diferencia significativa entre los ciclos subcrítico y transcrítico. ^[11] Debido a esta diferencia significativa en la fase de calentamiento, la inyección de calor en el ciclo es significativamente más eficiente desde una perspectiva de segunda ley , ya que se reduce la diferencia de temperatura media entre la fuente caliente y el fluido de trabajo. ^[12]

Como consecuencia, las temperaturas máximas alcanzadas por la fuente fría pueden ser mayores con características fijas de la fuente caliente. Por lo tanto, el proceso de expansión se puede lograr aprovechando relaciones de presión más altas, lo que produce una mayor producción de energía. Los ciclos Rankine ultrasupercríticos modernos pueden alcanzar temperaturas máximas de hasta 620 °C aprovechando el proceso optimizado de introducción de calor. ^[13]

Como en cualquier ciclo de potencia, el indicador más importante de su rendimiento es la eficiencia térmica . La eficiencia térmica de un ciclo transcrítico se calcula como:

${\displaystyle \eta _{cycle}={\frac {W_{Cycle}}{Q_{in}}}}$

donde es la entrada térmica del ciclo, proporcionada ya sea por combustión o con un intercambiador de calor , y es la potencia producida por el ciclo. ${\displaystyle Q_{in}}$${\displaystyle W_{Cycle}}$

La potencia producida se considera integral a la potencia producida durante el proceso de expansión del fluido de trabajo y la consumida durante la etapa de compresión .

La configuración conceptual típica de un ciclo transcrítico emplea un solo calentador, ^{[14] [15]} gracias a la ausencia de cambios drásticos de fase de un estado a otro, siendo la presión superior a la crítica. En los ciclos subcríticos, en cambio, el proceso de calentamiento del fluido de trabajo se produce en tres intercambiadores de calor diferentes : ^[16] en los economizadores el fluido de trabajo se calienta (mientras permanece en la fase líquida) hasta una condición cercana a las condiciones de líquido saturado. Los evaporadores llevan a cabo el proceso de evaporación del fluido (normalmente hasta las condiciones de vapor saturado) y en los sobrecalentadores el fluido de trabajo se calienta desde las condiciones de vapor saturado a un vapor sobrecalentado . Además, el uso de ciclos Rankine como ciclos de fondo en el contexto de ciclos combinados de gas y vapor mantiene la configuración de los anteriores como siempre subcrítica. Por lo tanto, habrá múltiples niveles de presión y, por lo tanto, múltiples evaporadores, economizadores y sobrecalentadores, lo que introduce una complicación significativa al proceso de inyección de calor en el ciclo. ^[17]

En los procesos adiabáticos e isentrópicos , como los asociados teóricamente con los procesos de bombeo en ciclos transcríticos, la diferencia de entalpía en una compresión y una expansión se calcula como:

${\displaystyle \Delta h=\int _{Pmin}^{Pmax}v\cdot dP}$

En consecuencia, un fluido de trabajo con un volumen específico menor (y por lo tanto, una densidad mayor ) puede inevitablemente comprimirse gastando un trabajo mecánico menor que uno con baja densidad (más parecido a un gas ).

En los ciclos transcríticos, las presiones máximas muy elevadas y las condiciones del líquido a lo largo de toda la fase de compresión garantizan una mayor densidad y un menor volumen específico con respecto a sus homólogos supercríticos. Teniendo en cuenta las diferentes fases físicas a través de las cuales se producen los procesos de compresión, los ciclos transcríticos y supercríticos emplean bombas (para líquidos) y compresores (para gases), respectivamente, durante la etapa de compresión.

En la etapa de expansión del fluido de trabajo en ciclos transcríticos, como en los subcríticos, el fluido de trabajo puede descargarse tanto en condiciones húmedas como secas.

Las expansiones secas típicas son aquellas que involucran fluidos de trabajo orgánicos u otros fluidos no convencionales , que se caracterizan por complejidades moleculares no despreciables y pesos moleculares altos .

La etapa de expansión se produce en turbinas : según la aplicación y la potencia nominal producida por la planta de energía, se pueden utilizar tanto turbinas axiales como turbinas radiales durante la expansión del fluido. Las turbinas axiales favorecen una velocidad de rotación más baja y una producción de potencia más alta, mientras que las turbinas radiales son adecuadas para potencias producidas limitadas y una velocidad de rotación alta.

Los ciclos orgánicos son opciones apropiadas para aplicaciones de baja entalpía y se caracterizan por densidades promedio más altas a través de los expansores que las que se dan en los ciclos de vapor transcríticos: por esta razón, normalmente se diseña una altura de álabes baja ^[18] y el caudal volumétrico se mantiene limitado a valores relativamente pequeños. Por otro lado, en escenarios de aplicación a gran escala, los álabes del expansor suelen mostrar alturas que superan el metro y que se aprovechan en los ciclos de vapor. Aquí, de hecho, la densidad del fluido a la salida de la última etapa de expansión es significativamente baja.

En general, el trabajo específico del ciclo se expresa como:

${\displaystyle w_{Cycle}={\frac {Power_{expansion}-Power_{compression}}{{\dot {m}}_{compression}}}}$

Aunque el trabajo específico de cualquier ciclo depende en gran medida del fluido de trabajo real considerado en el ciclo, se espera que los ciclos transcríticos presenten trabajos específicos más altos que sus contrapartes subcríticas y supercríticas correspondientes (es decir, que explotan el mismo fluido de trabajo). Por esta razón, en condiciones de contorno fijas, potencia producida y fluido de trabajo, se espera un caudal másico menor en los ciclos transcríticos que en otras configuraciones.

En las últimas décadas, la eficiencia térmica de los ciclos Rankine aumentó drásticamente, especialmente para aplicaciones a gran escala alimentadas por carbón : para estas plantas de energía, la aplicación de diseños ultrasupercríticos fue el factor principal para lograr el objetivo, ya que la mayor relación de presión asegura mayores eficiencias del ciclo.

El incremento de la eficiencia térmica de las plantas de energía alimentadas por combustibles sucios se volvió crucial también en la reducción de las emisiones específicas de las plantas, tanto en términos de gases de efecto invernadero como de contaminantes como el dióxido de azufre o NOx . En aplicaciones a gran escala, los ciclos Rankine ultrasupercríticos emplean hasta 10 calentadores de agua de alimentación , cinco en el lado de alta presión y cinco en el lado de baja presión, incluido el desaireador , ayudando en el incremento de la temperatura en la entrada de la caldera hasta 300 ° C, lo que permite un precalentamiento de aire regenerativo significativo , reduciendo así el consumo de combustible. Los estudios sobre las configuraciones de mejor rendimiento de los ciclos Rankine supercríticos (300 bar de presión máxima, 600 ° C de temperatura máxima y dos recalentamientos) muestran que tales diseños pueden lograr una eficiencia de ciclo superior al 50%, aproximadamente un 6% más alta que las configuraciones subcríticas. ^[19]

Los ciclos Rankine orgánicos son ciclos de potencia innovadores que permiten un buen rendimiento para fuentes térmicas de baja entalpía ^[20] y garantizan la condensación por encima de la presión atmosférica, evitando así los desaireadores y una gran área de sección transversal en las unidades de rechazo de calor . Además, con respecto a los ciclos Rankine de vapor , los ORC tienen una mayor flexibilidad para manejar tamaños de baja potencia, lo que permite una compacidad significativa. Las aplicaciones típicas de ORC cubren: plantas de recuperación de calor residual , plantas geotérmicas , plantas de biomasa y plantas de energía de residuos a energía .

Los ciclos Rankine orgánicos utilizan fluidos orgánicos (como hidrocarburos , perfluorocarbonos , clorofluorocarbonos y muchos otros) como fluidos de trabajo. ^[21] La mayoría de ellos tienen una temperatura crítica en el rango de 100-200°C, ^[22] por esta razón perfectamente adaptables a ciclos transcríticos en aplicaciones de baja temperatura. ^[23] Considerando fluidos orgánicos, tener una presión máxima por encima de la crítica puede más que duplicar la diferencia de temperatura a través de la turbina, con respecto a la contraparte subcrítica, y aumentar significativamente tanto el trabajo específico del ciclo como la eficiencia del ciclo.

Un ciclo de refrigeración , también conocido como bomba de calor, es un ciclo termodinámico que permite la eliminación de calor de una fuente de calor de baja temperatura y el rechazo de calor hacia una fuente de calor de alta temperatura, gracias al consumo de energía mecánica. ^[24] Los ciclos de refrigeración tradicionales son subcríticos, con el lado de alta presión (donde ocurre el rechazo de calor) por debajo de la presión crítica. ^[25]

En cambio, los ciclos de refrigeración transcríticos innovadores deberían utilizar un fluido de trabajo cuya temperatura crítica se encuentre en torno a la temperatura ambiente. Por este motivo, se elige el dióxido de carbono debido a sus condiciones críticas favorables. De hecho, el punto crítico del dióxido de carbono es de 31 °C, razonablemente entre la fuente caliente y la fuente fría de las aplicaciones de refrigeración tradicionales, por lo que es adecuado para aplicaciones transcríticas.

En los ciclos de refrigeración transcríticos, el calor se disipa a través de un enfriador de gas en lugar de un desrecalentador y un condensador ^[26] como en los ciclos subcríticos. Esto limita los componentes de la planta, la complejidad de la misma y los costos del bloque de potencia.

Las ventajas de utilizar dióxido de carbono supercrítico como fluido de trabajo, en lugar de fluidos refrigerantes tradicionales (como HFC o HFO ), en los ciclos de refrigeración se representan tanto por aspectos económicos como ambientales. El coste del dióxido de carbono es dos órdenes de magnitud menor que el del fluido de trabajo refrigerante promedio y el impacto ambiental del dióxido de carbono es muy limitado (con un GWP de 1 y un ODP de 0), el fluido no es reactivo ni significativamente tóxico. Ningún otro fluido de trabajo para refrigeración es capaz de alcanzar las mismas características ambientales favorables del dióxido de carbono. ^[27]

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  Diagrama Ts de una bomba de calor transcrítica: fuente fría (amarillo), fuente caliente (rojo), ciclo transcrítico (azul)
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  Un ciclo de refrigeración subcrítico, donde el rechazo de calor ocurre a una presión inferior a la crítica.