Un ciclo transcrítico es un ciclo termodinámico cerrado en el que 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 muy extendido 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 con fines de generación de energía están representadas por los ciclos orgánicos de Rankine , [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 residuos a plantas de 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 eficiencias más altas 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 superiores debido a la limitada importancia relativa del trabajo de compresión. [6] Esto evidencia el potencial extremo de los ciclos transcríticos con el fin 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 a 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 típicamente se considera un proceso isobárico , el fluido de trabajo supera la temperatura crítica , pasando así de la fase líquida a la supercrítica sin que ocurra ningún proceso de evaporación , una diferencia significativa entre los ciclos subcríticos y transcríticos. [11] Debido a esta diferencia significativa en la fase de calentamiento, la inyección de calor en el ciclo es significativamente más eficiente desde la perspectiva de la segunda ley , ya que se reduce la diferencia de temperatura promedio 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 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 energía, el indicador más importante de su desempeño es la eficiencia térmica . La eficiencia térmica de un ciclo transcrítico se calcula como:
donde es la entrada térmica del ciclo, proporcionada por combustión o con un intercambiador de calor , y es la potencia producida por el ciclo.
La potencia producida se considera integral de 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 único calentador, [14] [15] gracias a la ausencia de cambio drástico de fase de un estado a otro, estando la presión por encima de la crítica. En cambio, en los ciclos subcríticos, 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 que se aproxima a las condiciones de líquido saturado. Los evaporadores realizan 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 hasta convertirlo en vapor sobrecalentado . Además, el uso de los ciclos de Rankine como ciclos de fondo en el contexto de los ciclos combinados de gas y vapor mantiene la configuración de los primeros como siempre subcrítica. Por lo tanto, habrá múltiples niveles de presión y, por tanto, múltiples evaporadores, economizadores y sobrecalentadores, lo que introduce una complicación significativa en el proceso de inyección de calor en el ciclo. [17]
A lo largo de los procesos adiabáticos e isentrópicos , como los teóricamente asociados con los procesos de bombeo en ciclos transcríticos, la diferencia de entalpía tanto en una compresión como en una expansión se calcula como:
En consecuencia, un fluido de trabajo con un volumen específico más bajo (por lo tanto, mayor densidad ) puede inevitablemente comprimirse gastando un trabajo mecánico menor que uno con baja densidad (más parecido a un gas ).
En los ciclos transcríticos, las altísimas presiones máximas y las condiciones del líquido a lo largo de toda la fase de compresión aseguran una mayor densidad y un menor volumen específico con respecto a los ciclos supercríticos. Considerando las diferentes fases físicas en las que ocurren 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 en condiciones húmedas o secas.
Las expansiones secas típicas son aquellas que involucran fluidos de trabajo orgánicos u otros fluidos de trabajo no convencionales , que se caracterizan por complejidades moleculares no despreciables y pesos moleculares elevados .
La etapa de expansión se produce en las turbinas : dependiendo de la aplicación y de la potencia nominal producida por la central eléctrica, durante la expansión del fluido se pueden aprovechar tanto turbinas axiales como turbinas radiales . Las turbinas axiales favorecen una menor velocidad de rotación y una mayor producción de energía, mientras que las turbinas radiales son adecuadas para potencias limitadas producidas y una alta velocidad de rotación.
Los ciclos orgánicos son opciones apropiadas para aplicaciones de baja entalpía y se caracterizan por densidades promedio más altas en los expansores que las que ocurren en los ciclos de vapor transcrítico: por esta razón, normalmente se diseña una altura de paleta baja [18] y el caudal volumétrico se mantiene limitado a relativamente valores pequeños. Por otro lado, en escenarios de aplicación a gran escala, las palas expansoras suelen mostrar alturas que superan el metro y que se aprovechan en los ciclos de vapor. En efecto, en este caso la densidad del fluido a la salida de la última etapa de expansión es claramente baja.
En general, el trabajo específico del ciclo se expresa como:
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 exhiban trabajos específicos más altos que sus correspondientes contrapartes subcríticas y supercríticas (es decir, que explotan el mismo fluido de trabajo). Por esta razón, en condiciones límite fijas, energía producida y fluido de trabajo, se espera un caudal másico menor en ciclos transcríticos que en otras configuraciones.
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En las últimas décadas, la eficiencia térmica de los ciclos Rankine aumentó drásticamente, especialmente para aplicaciones a gran escala alimentadas por carbón : para estas centrales eléctricas, la aplicación de diseños ultrasupercríticos fue el factor principal para lograr el objetivo, ya que la mayor relación de presión garantiza un mayor ciclo. eficiencias.
El aumento de la eficiencia térmica de las centrales alimentadas con combustibles sucios se volvió crucial también en la reducción de las emisiones específicas de las centrales, tanto en términos de gases de efecto invernadero como de contaminantes como el dióxido de azufre o los 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 , lo que ayuda a incrementar la temperatura en la entrada de la caldera hasta 300°. C, permitiendo un importante precalentamiento regenerativo del aire , 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 dichos diseños pueden alcanzar una eficiencia del ciclo superior al 50 %, aproximadamente un 6 % más que las configuraciones subcríticas. [19]
Los ciclos Rankine orgánicos son ciclos de energía innovadores que permiten buenos rendimientos para fuentes térmicas de baja entalpía [20] y aseguran la condensación por encima de la presión atmosférica, evitando así desaireadores y grandes áreas 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 potencia bajos, 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 generación de energía a partir de residuos .
Los ciclos de 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 los 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 del calor a 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 se produce el rechazo del 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 alrededor de la temperatura ambiente. Por esta razón, se elige el dióxido de carbono debido a sus condiciones críticas favorables. De hecho, el punto crítico del dióxido de carbono es 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 atemperador y un condensador [26] como en los ciclos subcríticos. Esto limita los componentes de la instalación, la complejidad de la instalación y los costes del bloque eléctrico.
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 están representadas tanto por aspectos económicos como medioambientales. El costo 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 medioambientales favorables que el dióxido de carbono. [27]
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