En ingeniería térmica , el ciclo orgánico de Rankine ( ORC ) es un tipo de ciclo termodinámico . Es una variación del ciclo de Rankine llamada así por el uso de un fluido orgánico de alta masa molecular (en comparación con el agua) cuya temperatura de vaporización es menor que la del agua . El fluido permite la recuperación de calor de fuentes de temperatura más baja, como la combustión de biomasa, calor residual industrial , calor geotérmico , 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 a los ORC pero desarrollados para otras aplicaciones, ya se utilizaban 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, se hace pasar 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 . Esas irreversibilidades ocurren principalmente: [6]
La tecnología del ciclo orgánico de 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 ellos, 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). Se puede aplicar 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, gases de escape calientes de hornos u hornos (por ejemplo, hornos de cal y cemento), condensación de gases de combustión , gases de escape de vehículos, intercooler de un compresor, condensador de un ciclo de energía, etc.
La biomasa está disponible en todo el mundo y puede utilizarse para la producción de electricidad en centrales eléctricas de pequeña y mediana escala . El problema de los elevados costes de inversión específicos en maquinaria, como por ejemplo las calderas de vapor, se soluciona gracias a las bajas presiones de trabajo en las centrales eléctricas ORC. Otra ventaja es la larga vida operativa de la máquina debido a las características del fluido de trabajo, que a diferencia del vapor no erosiona ni corroe los asientos de las válvulas, los tubos y los álabes de las 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 menor tamaño.
Las fuentes de calor geotérmicas varían en temperatura de 50 a 350 °C. Por tanto, el ORC está perfectamente adaptado a este tipo de aplicaciones. Sin embargo, es importante tener en cuenta que para las fuentes geotérmicas de baja temperatura (normalmente menos de 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 Rankine orgánico se puede utilizar en la tecnología cilindroparabólica solar en lugar del ciclo Rankine de vapor habitual. El ORC permite la generación de electricidad a capacidades más bajas y a una temperatura del colector más baja y, por lo tanto, la posibilidad de unidades CSP descentralizadas de pequeña escala y bajo costo . [9] [10] El ORC también permite que los sistemas híbridos CSP-PV equipados con almacenamiento de energía térmica proporcionen una recuperación bajo demanda de hasta el 70 % de su generación eléctrica instantánea, y pueden ser una alternativa bastante eficiente a otros tipos de almacenamiento eléctrico. . [11] [12]
Recientemente se habla de las denominadas turbinas de energía eólica, que podrían convertir la energía eólica directamente en calor a temperatura media (hasta 600°C). [13] Pueden combinarse con un 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 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 muy perjudiciales. Estas ineficiencias dependen en gran medida de las características termodinámicas del fluido y de las condiciones de funcionamiento.
Para recuperar calor de baja calidad, el fluido generalmente tiene una temperatura de ebullición más baja que la del agua. Los refrigerantes y los hidrocarburos son dos componentes comúnmente utilizados.
Características óptimas del fluido de trabajo:
Dado que el propósito del ORC se centra en la recuperación de energía térmica de bajo grado, un enfoque sobrecalentado como el ciclo Rankine tradicional no es apropiado. Por lo tanto, siempre será preferible un pequeño sobrecalentamiento en el escape del evaporador, lo que perjudica a los fluidos "húmedos" (que se encuentran en estado de dos fases al final de la expansión). En el caso de fluidos secos se deberá utilizar un regenerador.
A diferencia del agua, los fluidos orgánicos suelen sufrir deterioros químicos y descomposición a altas temperaturas. Por tanto, la temperatura máxima de la fuente caliente 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 alto calor latente y densidad absorberá más energía de la fuente en el evaporador y así 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 (PAO) y el potencial de calentamiento global (GWP).
El fluido no debe ser corrosivo, inflamable ni tóxico. La clasificación de seguridad de refrigerantes ASHRAE se puede utilizar como indicador del nivel de peligrosidad del fluido.
La simulación de ciclos ORC requiere de 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 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 inicio. Otro aspecto clave del modelado ORC es el cálculo de las propiedades termodinámicas de los fluidos orgánicos . Deben evitarse las ecuaciones de estados simples (EOS) como las de Peng-Robinson, ya que su precisión es baja. Se debe preferir EOS multiparamétrico, utilizando, por ejemplo, bases de datos de propiedades termofísicas y de transporte de última generación.
Hay varias herramientas disponibles para los propósitos anteriores, cada una de las cuales presenta ventajas e inconvenientes. Los más comunes se informan a continuación.
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