Producción Energética a
partir de un sistema de
Ciclo Rankine Orgánico
(ORC) impulsado por
energía solar
Grupo: 1EM231
Laura Ovalle 8-974-1427
Edna Rodriguez 8-980- 1641
Eduardo Stanziola 8-980-1833
Introducción
Con el pasar del tiempo las tecnologías y el cambio climático han
impulsado el crecimiento de las instalaciones encargadas de la
energía renovable. El uso de calores residuales en conjunto con los
intentos de obtener energía a partir de los recursos renovables como
fuente de calor térmico han motivado el uso del Ciclo Rankine
Orgánico. Aunque es bien sabido que este ciclo no esta diseñado para
el uso de energía solar como principal fuente, es el mas versátil y
eficiente por debajo de 400C. En este trabajo recrearemos un ORC
con una fuente de adición de calor completamente renovable,
sustituyendo la caldera por un panel térmico solar.
Objetivos
GENERAL
▪
Recrear
un
Ciclo
ESPECIFICOS
Rankine
Orgánico funcional con una fuente
de
adición
de
calor
▪
▪
▪
completamente reversible basado
en energía solar con distintos
▪
fluidos de trabajos dentro de
▪
márgenes “reales” de operación.
Encontrar un fluido de trabajo
funcional para las temperaturas en
las que opera la celda térmica.
Selección del posible fluido a usar.
Comprender el intercambio de
calor entre el fluido de trabajo y el
fluido térmico de la celda de calor.
Simular el ciclo con el fluido
escogido.
Determinar la eficiencia del ciclo
OCR.
Planteamiento del Problema
En la actualidad, es muy importante el considerar la revalorización
de las fuentes que generan calores excedentes, para así aumentar la
eficiencia energética y mejorar el impacto al medio ambiente.
Sabemos bien que durante los procesos industriales se generan
perdidas de energía en forma de calor residual. Para buscar una
solución a esto implementamos un Ciclo Rankine Orgánico usando
paneles térmicos para extraer energía solar.
Justificación
La mayoría de los procesos desaprovechan el calor residual y es por eso
que implementamos un ciclo Rankine Orgánico, el cual nos permite el
aprovechamiento de calor tanto a media como a baja temperatura para
la producción de energía eléctrica. Este es un ciclo que genera
eficiencia a partir de una fuente de calidad baja, además de ayudar al
medio ambiente logrando convertir en electricidad fuentes energéticas
renovables.
Marco Teórico
Ciclo Rankine Orgánico
Un ciclo Rankine Orgánico es un sistema
termodinámico
que
permite
la
producción de potencia o trabajo y
presenta
casi
el
mismo
comportamiento que un ciclo Rankine
convencional, a diferencia de que este
ciclo utiliza fuentes de calor de
temperaturas baja a media- alta las
cuales oscilan entre 80 y 400°C.
Ciclo Rankine Orgánico
Procesos del Ciclo:
o
Proceso 1-2: Calor a Presión constante
o
Proceso 2-3: Proceso de Expansión
o
Proceso 3-4: Eliminación de calor a Presión constante
o
Proceso 4-1: Proceso de Bombeo
DIAGRAMA
ESQUEMA
Ciclo Rankine Orgánico
PRINCIPALES COMPONENTES
Turbina
Intercambiador
de calor
Condensador
Bomba
Energía solar Térmica
Tipos de sistemas térmicos
conozcámosla!!!
•
Es una tecnología que
permite el aprovechamiento
de la energía del sol, para
producir energía térmica
(calor)
necesario
para
generar energía.
•
•
Baja
temperatura:
Utilizados en obtención de
agua
caliente
(usos
sanitarios o calefacción)
Temperatura
media:
Mayormente para usos
comerciales
Altas
Temperaturas:
Consiste en las centrales
termoeléctricas
Paneles Térmicos
Los paneles térmicos ayudan a reducir la
huella de carbono y ahorrar al utilizar una
Fuente de energía renovables, ellos
aprovechan la radiación solar logrando
que el líquido que corre por los conductos
del panel solar se caliente, para luego
pasar al intercambiador de calor donde la
energía será transferida al fluido que se
este usando.
Paneles Térmicos
Tipos:
Panel térmico de
tubos vacíos
Panel térmico de
captor plano
Paneles Térmicos
Que panel debemos escoger
para nuestra simulación
Para
nuestra
simulación
utilizaremos paneles planos ya
que trabajamos sobre un
ambiente ideal donde siempre
hay luz y la temperatura sea
cálida y no baje, pero para un
país como Panamá se tendría
que utilizar un panel térmico
de tubos de vacío
Material
▪
Vidrio: es usado en su cubierta
y presenta una tonalidad
oscura el cual ayuda a
conservar mejor el calor.
Paneles Térmicos
Ventajas
01.
Su uso reduce las
emisiones de gases de
efecto invernadero
03.
Sistema de alto
rendimiento para la
producción de agua.
02.
La vida útil de estos
equipos es de alrededor de
los 20 años
04.
Presentan una eficiencia
óptica que presenta un
promedio de entre 70 y 85%
Fluido de Trabajo
Esta vez descartamos al agua como nuestro fluido de
trabajo debido a su punto de ebullición y presión de
vapor. Además, la principal diferencia entre ciclos es
el uso de sustancias orgánicas (hidrocarburos o
refrigerantes) en lugar de vapor de agua, como fluido
de trabajo. Por lo cual decidimos trabajar con un
fluido orgánico, los cuales tienen un punto de
ebullición más bajo y una presión de vapor más alta a
comparación que el agua. Permitiéndonos usar
fuentes de calor a temperaturas media-baja y así
generar electricidad de manera más eficiente que un
ciclo de vapor convencional.
Fluido de Trabajo
Amoniaco
Metano
Butano
C4H10
Dióxido de
carbono
Nota: Dando como resultado
que el mejor fluido orgánico
para el desarrollo de nuestro
proyecto es el amoniaco.
Metodología
Matemática
Esquema ORC con paneles solares
Matemática
Tomando en cuenta las horas del día en Panamá, las cuales serán constantes
ya que no vamos a analizar perdidas por variaciones de temperatura;
Esta es nuestra tabla de temperaturas promedio
Nota: la temperatura promedio de Panamá es
de 27C.
Los valores que debe alcanzar el aceite
térmico va desde los 35C hasta los 100C
Como punto de partida usaremos un valor
máx. de 95C
Matemática
𝐷0
𝐷𝑖
𝑅=
2𝜋𝑘𝐿
𝑙𝑛
Formula de Resistencia
térmica
1.9 ∗ 10−2
1.5 ∗ 10−2
𝑅=
15.1W
2𝜋 ∗
m ∗ °C ∗ 1.5𝑚
𝑙𝑛
= 1.66 ∗ 10−3 °C/W
Área superficial del tubo dentro del intercambiador de
calor
Datos :
Diámetro exterior Do= 19 cm
Diámetro interior Di= 1.5 cm
Conductividad térmica K= 15.1 W/m C
Longitud L= 1.5m
𝐴 = 2𝜋𝑟 𝑟 + ℎ
𝐴 = 2𝜋0.019𝑚 0.019𝑚 + 1.5𝑚
𝐴 = 0.181𝑚²
Matemática
Coeficiente total de trasferencia de calor
1
1
=𝑅→
=𝑈
𝑈𝐴𝑆
𝐴𝑆 ∗ 𝑅
1
=𝑈
0.181𝑚² ∗ 1.66 ∗ 10−3 °C/W
𝑊
∗ °C = 𝑈
𝑚2
cálculo de la energía transferido usamos el método de
diferencia media logarítmica de temperatura
3328.23
Datos :
Diámetro exterior Do= 19 cm
Diámetro interior Di= 1.5 cm
Conductividad térmica K= 15.1 W/m C
Longitud L= 1.5m
𝛥𝑇1 = 1000 𝐶 − 950 𝐶
𝛥 𝑇𝑚𝐿 =
𝛥𝑇1 = 50 𝐶
𝛥𝑇2 = 350 𝐶 − 270 𝐶
𝛥𝑇2 =
80 𝐶
𝛥 𝑇𝑚𝐿
𝛥𝑇1 − 𝛥𝑇2
𝛥𝑇
𝑙𝑛 𝛥𝑇1
2
50 𝐶 − 90 𝐶
=
50 𝐶
𝑙𝑛 0
9 𝐶
𝛥 𝑇𝑚𝐿 = 6.810 𝐶
Matemática
Razón de transferencia de calor
𝑄ሶ = 𝑈𝐴𝑠 𝛥 𝑇𝑚𝑙
𝑄ሶ = 3328.23
Datos :
Diámetro exterior Do= 19 cm
Diámetro interior Di= 1.5 cm
Conductividad térmica K= 15.1 W/m C
Longitud L= 1.5m
𝑊
∗ °C ∗ 0.181 𝑚2 ∗ 6.81(0 𝐶)
𝑚2
𝑄ሶ = 4099.51 𝑊
Matemática
Determinamos el flujo masico de aceite que se
necesita con el calor específico dado por el
Cp1=1.94kJ/kg*K (35°C)
fabricante los que se obtienen con una grafica.
Cp2=2.10kJ/kg*K(100°C)
Trabajamos con el promedio de ambos:
Cp=2.02kJ/kg*K=2.02kJ/kg*°C
𝑄ሶ
𝑚ሶ =𝐶𝑝
𝑚ሶ =
𝑇1 −𝑇2
4099,51𝑊
𝑘𝐽
2.02( ∗ °𝐶) ∗ 100 − 35 (°𝐶)
𝑘𝑔
𝑚ሶ = 31.22
𝑘𝑔
𝑠
Simulaciones
Comportamiento y propiedades criticas
de las sustancias :
Simulaciones
Ciclo Rankine simple con agua
como fluido de trabajo
Simulaciones
Ciclo Rankine simple con butano
como fluido de trabajo
Simulaciones
Ciclo Rankine simple con dióxido de
carbono como fluido de trabajo
Simulaciones
Ciclo Rankine simple con amoniaco
como fluido de trabajo
Resultados
Datos recogidos de las simulaciones
Fluido
Agua
Butano
Dióxido de carbono
Amoniaco
Temperatura en la caldera (°C)
350.0
137.6
30.0
127.7
Temperatura en el condensador (°C)
45.0
--
-29.0
30.0
4500.0
2700.0
4160.0
6500.0
10.0
211.0
1480.0
1167.1
Presión al salir de la bomba (kPa)
Presión al expandirse en la turbina (kPa)
“Valores de importancia para el ciclo Rankine con distintos fluidos.”
Nota: Con los valores estimados en base a las
condiciones criticas podemos señalar que el fluido
que mejor se acopla a las condiciones del trabajo del
proyecto es el amoniaco
Resultados
Análisis de los valores energéticos de estos ciclos
Fluido
Agua
Butano
Dióxido de carbono Amoniaco
W Bomba (kJ/kg)
4.67475
4.46902
2.48629
8.91308
W Turbina (kJ/kg)
1020.52
114.723
40.9991
216.569
Q Calentador (kJ/kg)
2879.79
503.503
325.77
1226.35
Q Condensador (kJ/kg)
1863.95
393.249
287.257
1018.7
35.27
21.90
11.82
16.93
Eficiencia
Nota: A primeras impresiones el ciclo que más trabajo
genera es el ciclo con butano que también presente la
mejor eficiencia térmica; se ha mencionado en
reiteradas ocasiones que es un candidato que no se
puede menospreciar a pesar del comportamiento
inusual de su campana de saturación.
Resultados
Datos de la simulación del ciclo Rankine alimentado por celdas
solares
Calculamos la eficiencia
térmica
𝑁 =1−
𝑁=1−
𝑄𝐿
𝑄𝐻
1064.74
1218.95
𝑁 = 0.127
Resultados
Datos calculados en el ciclo impulsado por celdas solares con el flujo masico corregido
Recomendaciones
Recomendaciones
Adicionar un espacio de
almacenamiento de la
energía térmica sensible
Tener en cuenta el realizar
un estudio técnico con ayuda
de un especializa en energía
térmica para lograr tener un
diseño idóneo y garantizar
un funcionamiento adecuado
de la planta.
Considerar un diseño de
sistema de cogeneración,
debido a que los productos
múltiples pueden mejorar la
integración de procesos.
Conclusión
El uso de un ciclo ORC impulsado por paneles solares tiene varias ventajas y
desventajas a considerar, para su futura confección.
Por un lado, el uso de paneles solares térmicos permite capturar energía térmica,
siendo el sol una fuente de energía renovable, sostenible e inagotable. Además, los
mismos son relativamente fáciles de instalar. Por otro lado, si se demostró que la
eficiencia de conversión de energía térmica a electricidad en un ciclo Rankine
Orgánico puede ser limitada y compleja en comparación con otras tecnologías,
como vimos en la simulación del ciclo preliminar del amoniaco, el ciclo impulsado
por celdas solares se ve reducida su eficiencia térmica en un 5% pasando de 17% a
12%; sin embargo, es importante aclarar que esa energía añadida no representa un
costo en combustible, sino que es energía completamente renovable, limpia y
gratuita gracias a provenir de una fuente solar. En general, la utilización de un
ORC impulsado por paneles solares puede considerarse una buena opción para
aplicaciones en las que se requiere una fuente de energía renovable y sostenible en
un lugar donde la electricidad de la red no está disponible o es inestable.
Muchas gracias