26 junio 2013

Guía para plantear proyectos con sistemas de recuperación de energía térmica residual industrial (2ª PARTE)

Ver 1ª PARTE

Ciclo de Kalina
Algunos investigadores creen que un desarrollo significativo en la elección de los fluidos de trabajo para un ciclo de Rankine orgánico es el ciclo de Kalina.
El fluido de trabajo que se usa en el ciclo de Kalina es una un fluido multi componente que es una combinación de agua y amoniaco.
Los cuatro principales puntos de diferencia entre los ciclos de Kalina y Rankine orgánico son:
  1. La mezcla agua amoniaco tiene un punto de vaporización variable al contrario de los fluidos de trabajo simples en un ciclo de Rankine.
  2. Las propiedades térmicas del fluido de trabajo pueden ser alteradas variando el ratio de amoniaco a agua. Por ejemplo, puede tomarse ventaja de la variación estacional en la temperatura de los residuos de la temperatura externa con un cambio en ratio de uno a otro.
  3. El fluido agua amoniaco combinados permite un cambio en temperatura sin cambiar el contenido de calor del fluido.
  4. Finalmente debido al bajo punto de congelación del amoniaco a 195 ºK, pueden usarse disipadores a temperaturas más bajas para mejorar el ciclo de Carnot.

En la figura con la que abrimos el artículo vemos la representación esquemática del ciclo de Kalina.
El ratio de amoniaco a agua en el ciclo puede ser variado. Esta variación del ratio de mezcla ofrece la oportunidad de capturar energía sobre un rango de temperaturas.
Esta variación del ratio de la mezcla ofrece la oportunidad de capturar energía sobre un amplio rango de temperaturas.
Factores del diseño de planta que deben ser considerados para la optimización de la mezcla incluyen la presión de entrada de la turbina, la temperatura de sobrecalentamiento y del condensador. Estas variables pueden causar conflictos cuando se selecciona el ratio optimizado, así que deben tomarse decisiones para la optimización de la mezcla.
Un punto final para considerar el ratio de amoniaco a agua es que el ratio del 70 % es uno de los más comúnmente usados para análisis del ciclo de Kalina.
Ciclo de Stirling
El ciclo de Stirling tiene más de 200 años. Su fundamento es un motor Stirling que es una máquina térmica que se clasifica como un motor de combustión externa.
Las cuatro etapas del ciclo de Stirling son las siguientes:
  1. Ocurre expansión en el espacio interno en el fluido de trabajo debido a la adición de calor desde la fuente externa.
  2. Ocurre una regeneración constante por el proceso de transferencia de calor interna desde el fluido de trabajo al generador.
  3. La compresión constante del fluido de trabajo ocurre por el rechazo de calor al disipador externo.
  4. Regeneración constante por el proceso de transferencia de calor interna desde el regenerador al fluido de trabajo y luego el ciclo se mueve de nuevo a la etapa 1.

El calentamiento a volumen constante tiene lugar entre las etapas 2 y 3 en un ciclo perfecto, y esto se llevará a cabo por el calor enviado al regenerador durante la refrigeración a volumen constante que tiene lugar entre las etapas 4 y 1 del ciclo y luego ser subsecuentemente almacenados por el calentamiento que ocurre entre las etapas 2 y 3. La figura 7 muestra un gráfico típico T-s del ciclo de Stirling.

Un regenerador se usa dentro del ciclo de Stirling, que es un dispositivo de almacenamiento de energía térmica y en un ciclo de Stirling, este almacenaje es eficiente en un 100 %. En realidad, ningún regenerador es 100 % eficiente.
Aunque el ciclo en principio es simple, los requerimientos para un regenerador eficiente han añadido complejidad en la realización de un modelo viable comercialmente.
Ciclo de Brayton
El ciclo de Brayton es un ciclo cerrado con dos partes de presión constante en el ciclo.


El aire es el fluido de trabajo predominante en una turbina de Gas. Esto proporciona una fuente de oxígeno para uso en la etapa de combustión del ciclo donde el combustible se quema.
La figura anterior muestra un diagrama de la realización físicas de las 4 etapas del ciclo de Brayton, el cual podemos describir de la siguiente forma:
  1. El fluido de trabajo en un sistema cerrado es comprimido por un compresor, que está conectado mecánicamente a la turbina.
  2. La energía en forma de calor es añadida al bucle cerrado. Esto típicamente se lleva a cabo usando combustión de una fuente externa de combustible, que añade energía al fluido de trabajo.
  3. El trabajo se lleva a cabo en la turbina por el fluido de trabajo para producir trabajo mecánico neto y hacer funcionar al compresor en la etapa 1.
  4. El calor se disipa del fluido de trabajo vía un segundo intercambiador de calor y el fluido de trabajo continúa a la etapa 1.

Conectando con las cuatro etapas del ciclo, la temperatura vs entropía se muestra en la siguiente figura.

Una desventaja de usar aire como fluido de trabajo es que en comparación al uso de líquidos se requiere una sustancial cantidad de energía en el compresor para incrementar la presión del aire.

El ciclo de Brayton es la aplicación más básica en una turbina de gas de bucle cerrado, aunque hay refinamientos posteriores usando recuperadores e intercoolers.
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