En ingeniería térmica , el ciclo orgánico de Rankine ( ORC ) es un tipo de ciclo termodinámico . Es una variación del ciclo de Rankine que recibe su nombre 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 . El fluido permite la recuperación de calor de fuentes de menor 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 convertirse 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 al ORC pero desarrollados para otras aplicaciones, se utilizaron 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 isentrópica y los procesos de evaporación y condensación son isobáricos .
En cualquier ciclo real, la presencia de irreversibilidades reduce la eficiencia del ciclo . Estas irreversibilidades se producen principalmente: [6]
La tecnología del ciclo orgánico Rankine tiene muchas aplicaciones posibles y cuenta con más de 2,7 GW de capacidad instalada y 698 plantas de energía identificadas en todo el mundo. [7] Entre ellas, los campos más extendidos y prometedores son los siguientes: [8]
La recuperación de calor residual es uno de los campos de desarrollo más importantes para el ciclo orgánico de Rankine (ORC). Puede aplicarse a plantas de calor y energía (por ejemplo, una planta de cogeneración a pequeña escala en un calentador de agua doméstico), o a procesos industriales y agrícolas como la fermentación de productos orgánicos, los gases de escape calientes de hornos u hornos (por ejemplo, hornos de cal y cemento), la condensación de gases de combustión , los gases de escape de vehículos, el interenfriamiento de un compresor, el condensador de un ciclo de energía, etc.
La biomasa está disponible en todo el mundo y se puede utilizar para la producción de electricidad en plantas de energía de tamaño pequeño a mediano . El problema de los altos costos específicos de inversión para maquinaria, como las calderas de vapor, se supera debido a las bajas presiones de trabajo en las plantas de energía ORC. Otra ventaja es la larga vida útil de la máquina debido a las características del fluido de trabajo, que a diferencia del vapor no erosiona ni corroe los asientos de válvulas, tubos y álabes de turbinas. El proceso ORC también ayuda a superar la cantidad relativamente pequeña de combustible de entrada disponible en muchas regiones porque una planta de energía ORC eficiente es posible para plantas de tamaño más pequeño.
Las fuentes de calor geotérmicas varían en temperatura de 50 a 350 °C. Por lo tanto, el ORC está perfectamente adaptado para este tipo de aplicación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que para las fuentes geotérmicas de baja temperatura (normalmente inferiores a 100 °C), la eficiencia es muy baja y depende en gran medida de la temperatura del disipador de calor (definida por la temperatura ambiente).
El ciclo orgánico de Rankine se puede utilizar en la tecnología de colectores parabólicos solares en lugar del habitual ciclo de Rankine de vapor. El ORC permite la generación de electricidad a capacidades más bajas y a temperaturas más bajas en el colector, y por lo tanto la posibilidad de contar con unidades de CSP descentralizadas a pequeña escala y de bajo costo . [9] [10] El ORC también permite que los sistemas híbridos de CSP-PV equipados con almacenamiento de energía térmica proporcionen una recuperación a demanda de hasta el 70% de su generación de electricidad instantánea, y puede ser una alternativa bastante eficiente a otros tipos de almacenamiento eléctrico. [11] [12]
Recientemente se ha hablado de las denominadas turbinas de energía eólica y térmica, que podrían convertir la energía eólica directamente en calor a temperatura media (hasta 600 °C). [13] Se pueden combinar con un sistema de almacenamiento térmico y podrían combinarse adecuadamente con ORC para generar electricidad.
Sin embargo, debido a la eficiencia de Carnot de la turbina, puede ser más eficiente utilizar la energía térmica como calor en sí misma en lugar de generar electricidad.
La selección del fluido de trabajo es de importancia clave en los ciclos Rankine de baja temperatura. Debido a la baja temperatura, las ineficiencias en la transferencia de calor son altamente perjudiciales. Estas ineficiencias dependen en gran medida de las características termodinámicas del fluido y de las condiciones de operación.
Para recuperar el calor de baja intensidad, el fluido suele tener una temperatura de ebullición más baja que el agua. Los refrigerantes y los hidrocarburos son dos componentes de uso común.
Características óptimas del fluido de trabajo:
Dado que el objetivo del ORC se centra en la recuperación de energía térmica de bajo grado, un enfoque de sobrecalentamiento como el tradicional ciclo Rankine no es adecuado. Por lo tanto, siempre será preferible un pequeño sobrecalentamiento en la salida del evaporador, lo que perjudica a los fluidos "húmedos" (que están en estado bifásico al final de la expansión). En el caso de fluidos secos, se debe utilizar un regenerador.
A diferencia del agua, los fluidos orgánicos suelen sufrir deterioros químicos y descomposición a altas temperaturas. 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.
Un fluido con un alto calor latente y densidad absorberá más energía de la fuente en el evaporador y, por lo tanto, reducirá el caudal requerido, el tamaño de la instalación y el consumo de la bomba.
Los principales parámetros que se tienen en cuenta son el potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP) y el potencial de calentamiento global (GWP).
El fluido no debe ser corrosivo, inflamable ni tóxico. La clasificación de seguridad de refrigerantes de ASHRAE se puede utilizar como indicador del nivel de peligrosidad del fluido.
La simulación de ciclos ORC requiere un solucionador numérico en el que se implementan 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 se requieren tanto para fines de diseño (o dimensionamiento) como para simulación de carga parcial. Los modelos dinámicos, por otro lado, también tienen en cuenta la acumulación de energía y masa en los diferentes componentes. Son particularmente útiles para implementar y simular estrategias de control, por ejemplo, durante transitorios o durante el arranque y Otro aspecto clave del modelado ORC es el cálculo de las propiedades termodinámicas del fluido orgánico . Se deben evitar las ecuaciones de estado (EOS) simples como Peng-Robinson, ya que su precisión es baja. Se deben preferir las EOS multiparamétricas, utilizando, por ejemplo, bases de datos de propiedades termofísicas y de transporte de última generación.
Existen diversas herramientas para los fines antes mencionados, cada una de las cuales presenta ventajas e inconvenientes. A continuación se describen las más comunes.
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