Aplicaciones Ciclo Rankine

Ciclo Rankine Es un ciclo muy empleado en máquinas simples y cuando la temperatura de fuente caliente está limitada. Es mucho más práctico que el ciclo de Carnot con gas pues la capacidad de transporte de energía del vapor con cambio de fase es mucho más grande que en un gas.

La bomba recolecta condensado a baja presión y temperatura. Típicamente una presión menor a la atmosférica, estado (3) y comprime el agua hasta la presión de la caldera (4). Este condensado a menor temperatura de la temperatura de saturación en la caldera es inyectada a la caldera. En la caldera primero se calienta, alcanzando la saturación y luego se inicia la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera (con un título muy cercano a 1) y luego se conduce el vapor a la turbina. Allí se expande, recuperando trabajo, en la turbina, hasta la presión asociada a la temperatura de condensación (2). El vapor que descarga la máquina entra al condensador donde se convierte en agua al entrar en contacto con las paredes de tubos que están refrigerados en su interior 15 (típicamente por agua). El condensado se recolecta al fondo del condensador, donde se extrae (3) prácticamente como líquido saturado.  Allí la bomba bomba comprime comprime el condensado condensado y se repite repite el ciclo. ciclo.

Campos de aplicación del sistema de recuperación ORC El sistema de recuperación de calor ORC puede tener muchas aplicaciones en el sector industrial, pero está especialmente destinado a procesos en los que la energía tiene un impacto significativo en el proceso de producción. Entre los procesos específicos más beneficiados por estos proyectos podemos mencionar la industria del acero, del vidrio o del cemento y las refinerías, objeto de este estudio. En una planta de cemento, por ejemplo, pueden conseguirse ahorros en la factura de la luz que van del 10 % al 20 %.

USO DE CICLOS RANKINE ORGÁNICOS PARA GENERACIÓN DE POTENCIA ACOPLADOS A FUENTES RENOVABLES Y CALOR DE DESECHO Para realizar los procesos de recuperación energética a partir de calores de desechos de procesos industriales, es necesario recurrir a las tecnologías de generación a partir de fuentes de calor de baja temperatura (menores a 250°C), dichas fuentes no solo incluyen fuentes de calor residual sino que también cubren las fuentes de energías renovables tales como: geotérmica y solar de baja concentración. La tecnología con mas alto desarrollo en este tema es el Ciclo Rankine Orgánico conocido por sus siglas en inglés ORC (Organic Rankine Cycle) el cual es capaz de generar trabajo con fuentes de de calor desde los 80 °C.

Este ciclo funciona como un ciclo Rankine convencional, pero su fluido de trabajo no es agua. Entre los fluidos de trabajo más comunes se encuentra el R134a, R22, R123, R245fa, mezcla amoniaco-agua (Ciclo Kalina) y mezclas de refrigerantes. El otro gran reto se encuentra en el acople, entre la fuente de energía térmica y el ORC. En Colombia este tipo de tecnología está tratando de incursionarse a nivel industrial, pero en este caso son los centro de investigaciones quienes están tropicalizando y adaptando la tecnología con miras a la disminución de costos de inversión por medio de la fabricación de partes en el mercado local y trabajando

en la integración de la tecnología con diferentes fuente de calor para hacer de ésta una solución robusta y viable.

Aprovechar la energía residual del vapor de escape para incrementar la producción de electricidad en la industria azucarera, sin alterar el proceso productivo Realizar un estudio comparativo entre el ciclo básico Rankine que se emplea en una planta de cogeneración de la industria azucarera durante el periodo inactivo y otros dos ciclos, uno con un turbogenerador a condensación de baja presión de entrada adicionándolo al turbogenerador de contrapresión y otro combinado con un ORC para la determinación de un posible incremento de la eficiencia, como alternativa de mejoramiento de la producción de electricidad, teniendo en cuenta la metodología de cálculo energético y exergético. Sistema de cogeneración utilizado en la industria azucarera La cogeneración es la producción combinada de energía eléctrica y calor a partir de una misma fuente de energía primaria, representa uno de los procedimientos más perfectos de la energética moderna ya que se obtiene una gran ventaja económica por el ahorro del combustible que produce su empleo. Este ahorro se deriva del hecho de que en estos sistemas es posible aprovechar con mayor eficiencia la energía de alta calidad que está acumulada en un combustible, mediante el uso de una máquina térmica que funcione entre una temperatura lo más cercano posible a la temperatura de combustión y la temperatura que requieren los procesos. En el caso de las fábricas de azúcar, el vapor se emplea primordialmente para las necesidades de calentamiento y evaporación del proceso, pero como este vapor se genera a presiones más altas que las requeridas, produce un considerable sobrante de energía que puede ser utilizada por un turbogenerador que escape total o parcialmente a las líneas de proceso, y la energía eléctrica producida puede ser utilizada tanto para el consumo interno como para exportar al Sistema Electroenergético Nacional (SEN). La industria azucarera tiene características muy peculiares, se suministra su propio combustible, el bagazo, con el que produce el vapor para la generación de energía y para las necesidades del proceso, coordinando simultáneamente las producciones de calor y electricidad, con las que se obtienen rendimientos energéticos superiores a los obtenidos en estas producciones por separado lo que representa grandes beneficios para la empresa y para el país.

Ciclo de Carnot En una maquina el ciclo se recorre en sentido horario para que el gas produzca trabajo. Las transformaciones que constituyen el ciclo de Carnot son: 

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Expansión isoterma (1-2): el gas absorbe una cantidad de calor Q1 manteniéndose a la temperatura del foco caliente T1. Expansión adiabática (2-3): el gas se enfría sin pérdida de calor hasta la temperatura del foco frio T2. Compresión isoterma (3-4): el gas cede el calor Q2 al foco frio, sin variar de temperatura. Compresión adiabática (4-1): el gas se calienta hasta la temperatura del foco caliente T1, cerrando el ciclo.

Aplicaciones El ciclo invertido de Carnot es utilizado en: la conservación de alimentos para la fabricación de hielo Aire acondicionado fabricación de “caucho en frío” procesos de refinación del petróleo tratamiento del acero fabricación de productos químicos licuefacción de gases

Ciclo Hirn Es similar al Rankine. Introduce el sobrecalentador para aumentar la temperatura del vapor para evitar que en la turbina haya vapor más líquido lo que produce cavitación y desgaste. El efecto es doble: Desde el punto de vista termodinámico, al aumentar la temperatura de la fuente caliente, se mejora la eficiencia del ciclo, sin riesgo de tener más líquido en la turbina. Desde el punto de vista mecánico, la presión en el sobrecalentador es superior a la de la caldera, lo que hace que la máquina opere con un salto de presión mayor, aumentando el trabajo recuperable por unidad de masa de vapor.

La bomba comprime el agua hasta la presión de la caldera (5). En la caldera primero se calienta, alcanzando la ebullición del líquido. En (1) se extrae el vapor de la caldera y se conduce al sobrecalentador. Este elemento es un intercambiador de calor (similar a un serpentín) al que se le entrega calor a alta temperatura. Por lo tanto el vapor aumenta su temperatura hasta salir como vapor sobrecalentado (2). El vapor que sale del sobrecalentador se lleva a la turbina. Allí realiza trabajo (W). El vapor que descarga la máquina (3) entra al condensador donde se convierte en agua. El condensado se recolecta en (4) en forma de líquido.