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 denomina 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 hacen uso del 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 experimenta todos los procesos del ciclo. Cuando se trata de motores térmicos, el fluido de trabajo generalmente también experimenta un proceso de combustión , por ejemplo, en motores de combustión interna o turbinas de gas . También existen tecnologías en bombas de calor y refrigeración, donde el fluido de trabajo no cambia de fase , como el ciclo Brayton inverso o Stirling .
Este artículo resume los principales criterios de selección de fluidos de trabajo para un ciclo termodinámico , como los motores térmicos , incluida la recuperación de calor de bajo grado mediante el ciclo orgánico de Rankine (ORC) para la energía geotérmica , el calor residual , la energía solar térmica o la biomasa y las bombas de calor y los ciclos de refrigeración . El artículo aborda cómo los fluidos de trabajo afectan a 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 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 características de proceso favorables, como una alta eficiencia térmica y exergética . Estos requisitos se aplican tanto a los fluidos de trabajo puros (de un solo componente) como a los mixtos (multicomponente). La investigación existente se centra en gran medida en la selección de fluidos de trabajo puros, con una gran cantidad de informes publicados actualmente 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, 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 , denominada deslizamiento de temperatura, que reduce significativamente las pérdidas exergéticas . A pesar de su utilidad, las publicaciones recientes que abordan la selección de fluidos mixtos son considerablemente menos. [2]
Muchos autores como por ejemplo O. Badr et al. [3] han sugerido los siguientes criterios termodinámicos y físicos que un fluido de trabajo debe cumplir para motores térmicos como los ciclos 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 los fluidos de trabajo puros fue utilizada por primera vez por H. Tabor et al. [4] y O. Badr et al. [3] que se remonta a 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 de 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 con la disminución de la temperatura de saturación , el valor de la entropía aumenta, el fluido se llama húmedo. Si la pendiente de la curva de vapor de saturación del fluido es principalmente positiva (independientemente de una pendiente negativa corta algo por debajo del punto crítico ), lo que significa que con la disminución de la temperatura de saturación, el valor de la entropía también disminuye (d T /d s >0), el fluido es seco. La tercera categoría se denomina isentrópica , que significa entropía constante y se refiere a aquellos fluidos que tienen una curva de vapor de saturación vertical (independientemente de una pendiente negativa corta algo por debajo del punto crítico) en el diagrama de 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 isentrópica ( adiabática 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, después de un proceso de expansión isentrópica, el fluido permanece 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. Vea la figura para una mejor comprensión.
La clasificación tradicional presenta varias deficiencias teóricas y prácticas. Una de las 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 están muy cerca de este comportamiento o al menos en un cierto rango de temperatura, por ejemplo, el triclorofluorometano (CCl 3 F). Otro problema es el grado de sequedad o isotropía del fluido, lo que tiene una importancia práctica significativa al diseñar, por ejemplo, un diseño de ciclo orgánico de Rankine y elegir el expansor adecuado. G. Györke et al. [5] propusieron un nuevo tipo de clasificación 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 de temperatura-entropía de manera similar a la 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 de 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 saturación de vapor, más precisamente, en aquellos puntos en los que, 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 (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 ordenamientos es 3! (si no hay puntos secundarios), 4! (si solo existe el punto secundario M) y 5! (si existen ambos puntos secundarios), lo que hace que sea 150. Hay algunas restricciones físicas, incluida la existencia de los puntos secundarios, que reducen el número de categorías posibles a 8. Las categorías deben nombrarse según el orden ascendente de la entropía de sus puntos característicos. Es decir, las 8 categorías posibles son ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM y ACNMZ. Las categorías (también llamadas secuencias) se pueden ajustar a 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 ajustarse a las categorías ACZM o ACNZM. Los estudios teóricos [6] [7] confirmaron que estas dos categorías pueden incluso no existir. Con base en la base de datos del NIST , [8] las 6 secuencias probadas de la nueva clasificación y su relación con la tradicional se pueden ver en la figura.
Aunque los fluidos de trabajo multicomponentes tienen ventajas termodinámicas significativas sobre los puros (de un solo componente), la investigación y la aplicación siguen centrándose en los fluidos de trabajo puros. Sin embargo, hay algunos ejemplos típicos de tecnologías basadas en multicomponentes, como el ciclo Kalina , que utiliza una mezcla de agua y amoníaco , o los refrigeradores de absorción que también utilizan una mezcla de agua y amoníaco además de agua, amoníaco e hidrógeno , bromuro de litio o cloruro de litio en su mayoría. Algunos artículos científicos tratan también de la aplicación de fluidos de trabajo multicomponentes en ciclos Rankine orgánicos. Se trata principalmente de mezclas binarias de hidrocarburos, fluorocarbonos , hidrofluorocarbonos , siloxanos y sustancias inorgánicas. [9]