Los motores térmicos, los ciclos de refrigeración y las bombas de calor suelen implicar un fluido hacia y desde el cual se transfiere calor mientras se somete a un ciclo termodinámico. Este fluido se llama fluido de trabajo . [1] Las tecnologías de refrigeración y bombas de calor a menudo se refieren a los fluidos de trabajo como refrigerantes . La mayoría de los ciclos termodinámicos utilizan el calor latente (ventajas del cambio de fase) del fluido de trabajo. En el caso de otros ciclos, el fluido de trabajo permanece en fase gaseosa mientras sufre todos los procesos del ciclo. En los motores térmicos, el fluido de trabajo generalmente también sufre un proceso de combustión , por ejemplo en los motores de combustión interna o en las turbinas de gas . También existen tecnologías en bomba de calor y refrigeración, donde el fluido de trabajo no cambia de fase , como el ciclo inverso de Brayton o Stirling .
Este artículo resume los principales criterios de selección de fluidos de trabajo para un ciclo termodinámico , como motores térmicos que incluyen recuperación de calor de bajo grado mediante el Ciclo Rankine Orgánico (ORC) para energía geotérmica , calor residual , energía solar térmica o biomasa y bombas de calor y ciclos de refrigeración . El artículo aborda cómo los fluidos de trabajo afectan las aplicaciones tecnológicas, donde el fluido de trabajo sufre una transición de fase y no permanece en su fase original (principalmente gaseosa ) durante todos los procesos del ciclo termodinámico.
Encontrar el fluido de trabajo óptimo para un propósito determinado, que es esencial para lograr una mayor eficiencia energética en los sistemas de conversión de energía, tiene un gran impacto en la tecnología, es decir, no solo influye en las variables operativas del ciclo, sino que también altera el diseño y modifica el diseño del equipo. Los criterios de selección de los fluidos de trabajo generalmente incluyen propiedades termodinámicas y físicas además de factores económicos y ambientales, pero la mayoría de las veces todos estos criterios se utilizan juntos.
Se sabe que la elección de los fluidos de trabajo tiene un impacto significativo en el rendimiento termodinámico y económico del ciclo. Un fluido adecuado debe exhibir propiedades físicas, químicas, ambientales, de seguridad y económicas favorables, como un volumen específico bajo (alta densidad ), viscosidad , toxicidad , inflamabilidad , potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP), potencial de calentamiento global (GWP) y costo, así como como características favorables del proceso, como una alta eficiencia térmica y exergética . Estos requisitos se aplican tanto a fluidos de trabajo puros (monocomponente) como mixtos (multicomponente). Las investigaciones existentes se centran en gran medida en la selección de fluidos de trabajo puros, y actualmente hay un gran número de informes publicados disponibles. Una restricción importante de los fluidos de trabajo puros es su perfil de temperatura constante durante el cambio de fase. Las mezclas de fluidos de trabajo son más atractivas que los fluidos puros porque su perfil de temperatura de evaporación es variable y, por lo tanto, sigue mejor el perfil de la fuente de calor, a diferencia del perfil de evaporación plano (constante) de los fluidos puros. Esto permite una diferencia de temperatura aproximadamente estable durante la evaporación en el intercambiador de calor , lo que se conoce como deslizamiento de temperatura, lo que reduce significativamente las pérdidas exergéticas . A pesar de su utilidad, las publicaciones recientes que abordan la selección de fluidos mixtos son considerablemente menores. [2]
Muchos autores como por ejemplo O. Badr et al. [3] han sugerido los siguientes criterios termodinámicos y físicos que debe cumplir un fluido de trabajo para motores térmicos como los ciclos de Rankine. Existen algunas diferencias en los criterios relativos a los fluidos de trabajo utilizados en motores térmicos y ciclos de refrigeración o bombas de calor, que se enumeran a continuación en consecuencia:
La categorización tradicional y actualmente más extendida de fluidos de trabajo puros fue utilizada por primera vez por H. Tabor et al. [4] y O. Badr et al. [3] que data de los años 60. Este sistema de clasificación de tres clases clasifica los fluidos de trabajo puros en tres categorías. La base de la clasificación es la forma de la curva de vapor de saturación del fluido en el plano temperatura-entropía . Si la pendiente de la curva de vapor de saturación en todos los estados es negativa (d s /d T <0), lo que significa que al disminuir la temperatura de saturación aumenta el valor de la entropía , el fluido se llama húmedo. Si la pendiente de la curva de vapor de saturación del fluido es principalmente positiva (independientemente de una breve pendiente negativa algo por debajo del punto crítico ), lo que significa que al disminuir la temperatura de saturación el valor de la entropía también disminuye (d T /d s >0) , el líquido está seco. La tercera categoría se llama isentrópica , que significa entropía constante y se refiere a aquellos fluidos que tienen una curva de vapor de saturación vertical (independientemente de una corta pendiente negativa algo por debajo del punto crítico) en el diagrama temperatura-entropía. Según el enfoque matemático, significa una pendiente infinita (negativa) (d s /d T =0). Los términos húmedo, seco e isentrópico se refieren a la calidad del vapor después de que el fluido de trabajo sufre un proceso de expansión isentrópico ( adiabático reversible ) desde el estado de vapor saturado . Durante un proceso de expansión isentrópica el fluido de trabajo siempre termina en la zona de dos fases (también llamada húmeda), si es un fluido de tipo húmedo. Si el fluido es de tipo seco, la expansión isentrópica termina necesariamente en la zona de vapor sobrecalentado (también llamada seca). Si el fluido de trabajo es de tipo isentrópico, luego de un proceso de expansión isentrópica el fluido queda en estado de vapor saturado. La calidad del vapor es un factor clave a la hora de elegir una turbina de vapor o un expansor para motores térmicos. Consulte la figura para una mejor comprensión.
La clasificación tradicional muestra varias deficiencias teóricas y prácticas. Uno de los más importantes es el hecho de que no existe ningún fluido perfectamente isentrópico. [6] [7] Los fluidos isentrópicos tienen dos extremos (d s /d T =0) en la curva de vapor de saturación. En la práctica, hay algunos fluidos que se acercan mucho a este comportamiento o al menos en un determinado rango de temperatura, por ejemplo el triclorofluorometano (CCl 3 F). Otro problema es el grado de sequedad o isoentropía del fluido, lo que tiene una importancia práctica significativa a la hora de diseñar, por ejemplo, un diseño de ciclo orgánico de Rankine y elegir el expansor adecuado. G. Györke et al. propusieron un nuevo tipo de clasificación. [5] para resolver los problemas y deficiencias del sistema tradicional de clasificación de tres clases. La nueva clasificación también se basa en la forma de la curva de vapor de saturación del fluido en el diagrama temperatura-entropía similar al tradicional. La clasificación utiliza un método basado en puntos característicos para diferenciar los fluidos. El método define tres puntos característicos primarios y dos secundarios. La ubicación relativa de estos puntos en la curva de saturación temperatura-entropía define las categorías. Todo fluido puro tiene puntos característicos primarios A, C y Z:
Los dos puntos característicos secundarios, a saber, M y N, se definen como extremos de entropía local en la curva de vapor de saturación, más exactamente, en aquellos puntos donde con la disminución de la temperatura de saturación la entropía permanece constante: d s /d T =0. Podemos darnos cuenta fácilmente de que considerando la clasificación tradicional, los fluidos de tipo húmedo solo tienen puntos primarios (A, C y Z), los fluidos de tipo seco tienen puntos primarios y exactamente un punto secundario (M) y los fluidos de tipo isentrópico redefinidos tienen puntos primarios y secundarios. puntos (M y N) también. Consulte la figura para una mejor comprensión.
El orden ascendente de los valores de entropía de los puntos característicos proporciona una herramienta útil para definir categorías. ¡El número matemáticamente posible de pedidos es 3! (si no hay puntos secundarios), 4! (si sólo existe el punto secundario M) y 5! (si existen ambos puntos secundarios), lo que hace que sea 150. Existen algunas limitaciones físicas, incluida la existencia de puntos secundarios, que reducen el número de categorías posibles a 8. Las categorías deben denominarse según el orden ascendente de la entropía de su característica. agujas. Es decir, las 8 categorías posibles son ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM y ACNMZ. Las categorías (también llamadas secuencias) se pueden encajar en la clasificación tradicional de tres clases, lo que hace que los dos sistemas de clasificación sean compatibles. No se han encontrado fluidos de trabajo que puedan incluirse en las categorías ACZM o ACNZM. Los estudios teóricos [6] [7] confirmaron que es posible que estas dos categorías ni siquiera existan. Basado en la base de datos del NIST , [8] las 6 secuencias probadas de la clasificación novedosa y su relación con la tradicional se pueden ver en la figura.
Aunque los fluidos de trabajo multicomponentes tienen importantes ventajas termodinámicas sobre los puros (de un solo componente), la investigación y las aplicaciones siguen centrándose en los fluidos de trabajo puros. Sin embargo, hay algunos ejemplos típicos de tecnologías basadas en múltiples componentes, como el ciclo Kalina que utiliza una mezcla de agua y amoníaco , o refrigeradores de absorción que también utilizan una mezcla de agua y amoníaco además de agua, amoníaco e hidrógeno , mezclas de bromuro de litio o cloruro de litio en su mayoría. Algunos artículos científicos también tratan sobre la aplicación de fluidos de trabajo multicomponentes en ciclos orgánicos de Rankine. Se trata principalmente de mezclas binarias de hidrocarburos, fluorocarbonos , hidrofluorocarbonos , siloxanos y sustancias inorgánicas. [9]