Los motores térmicos, los ciclos de refrigeración y las bombas de calor generalmente involucran 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 caso de otros ciclos el fluido de trabajo permanece en fase gaseosa mientras se somete a todos los procesos del ciclo. Cuando se trata de motores térmicos, el fluido de trabajo generalmente también se somete a un proceso de combustión , por ejemplo enmotores de combustión interna o 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 los motores térmicos que incluyen recuperación de calor de bajo grado utilizando el ciclo de 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 usan juntos.
Criterios de selección de fluidos de trabajo
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 bajo volumen específico (alta densidad ), viscosidad , toxicidad , inflamabilidad , potencial de agotamiento del ozono (ODP), potencial de calentamiento global (GWP) y costo, también. como características de proceso favorables tales como alta eficiencia térmica y exergética . Estos requisitos se aplican tanto a fluidos de trabajo puros (de un solo componente) como mixtos (multicomponente). La investigación existente se centra principalmente 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 menores. [2]
Muchos autores como por ejemplo O. Badr et al. [3] han sugerido los siguientes criterios físicos y termodinámicos que un fluido de trabajo debe cumplir para motores térmicos como los ciclos Rankine. Existen algunas diferencias en los criterios relacionados con los fluidos de trabajo utilizados en motores térmicos y ciclos de refrigeración o bombas de calor, que se enumeran a continuación en consecuencia:
Criterios comunes tanto para motores térmicos como para ciclos de refrigeración
- La presión de saturación a la temperatura máxima del ciclo no debe ser excesiva. Las presiones muy altas provocan problemas de tensión mecánica y, por lo tanto, pueden requerirse componentes innecesariamente costosos.
- La presión de saturación a la temperatura mínima del ciclo (es decir, la presión de condensación) no debe ser tan baja como para dar lugar a problemas de sellado contra la infiltración del aire atmosférico en el sistema.
- El punto triple debe estar por debajo de la temperatura ambiente mínima esperada. Esto asegura que el fluido no se solidifique en ningún momento durante el ciclo ni mientras se maneja fuera del sistema.
- El fluido de trabajo debe poseer un valor bajo de la viscosidad del líquido, un alto calor latente de vaporización, una alta conductividad térmica del líquido y una buena capacidad de humectación. Estos aseguran que la presión del fluido de trabajo caiga al pasar a través de los intercambiadores de calor y las tuberías auxiliares sean bajas y que las tasas de transferencia de calor en los intercambiadores sean altas.
- El fluido de trabajo debe tener bajos volúmenes específicos de vapor y líquido. Estas propiedades afectan las tasas de transferencia de calor en los intercambiadores de calor. El volumen específico de vapor se relaciona directamente con el tamaño y el costo de los componentes del ciclo. Además, un volumen específico de vapor alto conduce a flujos volumétricos más grandes que requieren una multiplicidad de extremos de escape del expansor en los motores térmicos o compresores en los ciclos de refrigeración y dan como resultado pérdidas de presión significativas. El volumen específico del líquido a la presión del condensador debe ser lo más pequeño posible para minimizar el trabajo requerido de la bomba de agua de alimentación .
- La no corrosividad y la compatibilidad con los materiales del sistema común son criterios de selección importantes.
- El fluido debe ser químicamente estable en todo el rango de temperatura y presión empleado. La resistencia a la descomposición térmica del fluido de trabajo en presencia de lubricantes y materiales del recipiente es un criterio muy importante. Además de hacer necesaria la sustitución del fluido de trabajo, la descomposición química del fluido puede producir gases no condensables que reducen la tasa de transferencia de calor en los intercambiadores de calor, así como compuestos que tienen efectos corrosivos sobre los materiales del sistema.
- También son atributos deseables la no toxicidad, la no inflamabilidad, la no explosividad , la no radiactividad y la aceptabilidad industrial actual.
- El fluido debe cumplir con los criterios de los requisitos de protección ambiental, como un potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP) de bajo grado y un potencial de calentamiento global (GWP).
- El fluido debe poseer buenas propiedades de lubricación para reducir la fricción entre superficies en contacto mutuo, lo que reduce el calor generado cuando las superficies se mueven y, en última instancia, aumenta el rendimiento del ciclo.
- La sustancia debe ser de bajo costo y fácilmente disponible en grandes cantidades.
- La experiencia a largo plazo (operativa) con el fluido de trabajo y el posible reciclaje de fluido también es beneficiosa.
Criterios especiales para motores térmicos (como el ciclo Rankine)
- La temperatura crítica del fluido debe estar muy por encima de la temperatura más alta existente en el ciclo propuesto. La evaporación del fluido de trabajo y, por lo tanto, la adición significativa de calor, puede producirse a la temperatura máxima del ciclo. Esto da como resultado una eficiencia de ciclo relativamente alta.
- La pendiente d s / d T de la línea de vapor saturado en el diagrama T - s (consulte el Capítulo Clasificación de fluidos de trabajo puros (de un solo componente)) debe ser casi cero en la relación de presión aplicada del expansor. Esto evita la formación significativa de humedad (gotitas de líquido) o un sobrecalentamiento excesivo que se produce durante la expansión. También asegura que todo el rechazo de calor en el condensador se produzca a la temperatura mínima del ciclo, lo que aumenta la eficiencia térmica.
- Un valor bajo para el calor específico del líquido o, alternativamente, una relación baja del número de átomos por molécula dividido por el peso molecular y una relación alta del calor latente de vaporización al calor específico del líquido. Esto reduce la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura del líquido subenfriado del fluido de trabajo a la temperatura de saturación correspondiente a la presión en el evaporador del ciclo Rankine. Entonces, la mayor parte del calor se agrega a la temperatura máxima del ciclo, y el ciclo Rankine puede acercarse más al ciclo de Carnot.
Criterios especiales para ciclos frigoríficos o bombas de calor
- La pendiente d s / d T de la línea de vapor saturado en el diagrama T - s (consulte el Capítulo Clasificación de fluidos de trabajo puros (de un solo componente)) debe ser casi cero, pero nunca positiva en la relación de presión aplicada del compresor. Esto evita la formación significativa de humedad (gotitas de líquido) o un sobrecalentamiento excesivo que se produce durante la compresión. Los compresores son muy sensibles a las gotas de líquido.
- La presión de saturación a la temperatura de evaporación no debe ser inferior a la presión atmosférica. Esto corresponde principalmente a compresores de tipo abierto.
- La presión de saturación a la temperatura de condensación no debe ser alta.
- La relación de presiones de condensación y evaporación debe ser baja.
Clasificación de fluidos de trabajo puros (de un solo componente)
Clasificación tradicional
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 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 saturación de vapor del fluido en el plano temperatura-entropía . Si la pendiente de la curva de saturación del vapor 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 saturación de vapor del fluido es principalmente positiva (independientemente de una pendiente negativa corta 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 fluido 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 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 isentrópico ( adiabático reversible ) a partir del 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 necesariamente termina 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. Consulte la figura para una mejor comprensión.
Clasificación novedosa
La clasificación tradicional muestra varias deficiencias teóricas y prácticas. Uno de los más importantes es el hecho de que no existe un líquido perfectamente isentrópico. [6] [7] Los fluidos isentrópicos tienen dos extremos (d s / d T = 0) en la curva de saturación del vapor. Prácticamente, existen algunos fluidos que se acercan mucho a este comportamiento o al menos en un cierto rango de temperatura, por ejemplo el triclorofluorometano (CCl 3 F). Otro problema es el grado de cuán seco o isentrópico se comporta el fluido, lo cual tiene una importancia práctica significativa cuando se diseña, por ejemplo, un diseño de ciclo de Rankine orgánico y se elige 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 saturación de vapor del fluido en el diagrama 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 temperatura-entropía define las categorías. Todo fluido puro tiene puntos característicos primarios A, C y Z:
- Los puntos primarios A y Z son los puntos de temperatura más bajos en la curva del líquido de saturación y del vapor de saturación respectivamente. Esta temperatura pertenece al punto de fusión , que prácticamente es igual al punto triple del fluido. La elección de A y Z se refiere al primer y último punto de la curva de saturación visualmente.
- El punto primario C se refiere al punto crítico , que es una propiedad termodinámica ya bien definida de los fluidos.
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 esos 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 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 tanto primarios como 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 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 puntos secundarios, que disminuyen el número de categorías posibles a 8. Las categorías deben ser nombradas según el orden ascendente de la entropía de su característica. puntos. A saber, 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 el sistema de dos clasificaciones sea compatible. No se han encontrado fluidos de trabajo que puedan encajar en las categorías ACZM o ACNZM. Los estudios teóricos [6] [7] confirmaron que estas dos categorías pueden ni siquiera existir. Con base en la base de datos del NIST , [8] se pueden ver en la figura las 6 secuencias probadas de la clasificación novedosa y su relación con la tradicional.
Fluidos de trabajo multicomponente
Aunque los fluidos de trabajo multicomponente 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, existen algunos ejemplos típicos de tecnologías basadas en componentes múltiples como el ciclo Kalina que utiliza una mezcla de agua y amoniaco , o refrigeradores de absorción que también utilizan una mezcla de agua y amoniaco además de agua, amoniaco e hidrógeno , bromuro de litio o mezclas de cloruro de litio en su mayoría. Algunos artículos científicos también tratan de la aplicación de fluidos de trabajo multicomponente en ciclos de Rankine orgánico. Se trata principalmente de mezclas binarias de hidrocarburos, fluorocarbonos, hidrofluorocarbonos, siloxanos y sustancias inorgánicas. [9]
Ver también
- Bomba de calor y ciclo de refrigeración
- Ciclo de Rankine orgánico
- Refrigerante
- Ciclo de Rankine
- Ciclo termodinámico
- Refrigeración por compresión de vapor
Referencias
- ^ Çengel, Yunus A. y Boles, Michael A. Termodinámica Un enfoque de ingeniería octava edición . Educación de McGraw-Hill, 2015
- ^ Linke, Patrick; Papadopoulos, Athanasios I. y Seferlis, Panos (2015) "Métodos sistemáticos para la selección de fluidos de trabajo y el diseño, integración y control de ciclos de Rankine orgánicos - Una revisión" Energies 2015, 8, 4755-4801; https://doi.org/10.3390/en8064755
- ^ a b Badr, O .; Probert, SD. y O'Callaghan, PW. (1985) "Selección de un fluido de trabajo para un motor de ciclo Rankine" . Energía aplicada 1985; 21: 1-42.
- ^ Tabor, Harry y Bronicki, Lucien (1964) "Establecimiento de criterios para fluidos para turbinas de vapor pequeñas" . Documento técnico SAE 640823.
- ↑ a b Györke, Gábor; Deiters, Ulrich K .; Groniewsky, Axel; Lassu, Imre e Imre, Attila R. (2018) "Clasificación novedosa de fluidos de trabajo puros para el ciclo de Rankine orgánico" . Energía 145 (2018) 288-300.
- ↑ a b c Groniewsky, Axel; Györke, Gábor; Imre Attila R. (2017) "Descripción de la transición de húmedo a seco en fluidos de trabajo modelo ORC" . Ingeniería Térmica Aplicada 125 (2017) 963-971.
- ^ a b c Groniewsky, Axel e Imre, Attila R. (2018) "Predicción del límite de saturación de entropía de temperatura del fluido de trabajo ORC utilizando la ecuación de estado de Redlich-Kwong" . Entropía 2018, 20 (2), 93. https://doi.org/10.3390/e20020093
- ^ Libro web de química del NIST
- ^ Angelino, Gianfranco y Colonna di Paliano, Piero (1998) "Fluidos de trabajo multicomponente para ciclos de Rankine orgánicos (ORC)" Energy 23 (1998) 449-463.
enlaces externos
- Centro de conocimientos sobre el ciclo de Rankine orgánico
- National Refrigerants, Inc.
- Libro web de química del NIST
- Novedosa clasificación de fluidos de trabajo puros para el ciclo de Rankine orgánico
- Mapa del mundo ORC