Diseño de un sistema de Ciclo Rankine Orgánico mediante el aprovechamiento de calor residual industrial para la producción de mínimo 10 kW de potencia (2018)
En el presente proyecto se desarrolló una propuesta de diseño para un sistema de cogeneración basado en Ciclo Rankine Orgánico (ORC en adelante) con recuperación de calor de gases residuales industriales de la planta de carbón activado TECSOL LTDA. Inicialmente, para seleccionar el fluido de trabajo (Working Fluid) apropiado se utilizó una Matriz Pugh con 15 posibles fluidos que, según el peso de determinadas características termodinámicas, dio como resultado 3 refrigerantes que cumplieron con los requerimientos de trabajo en el sistema propuesto (R601, R123, R601a). Luego se calculó los estados termodinámicos teóricos de estos tres fluidos a diferentes relaciones de presión dando como mejor resultado, después de un análisis de rendimientos, el R123 con una relación de presión de 1:6.25, y con un rendimiento del 10 %; Posteriormente, se determinó el intervalo de temperatura y flujo másico de los gases residuales de escape en la planta TECSOL LTDA obteniendo como resultado que el intervalo de temperatura entre los gases residuales y el fluido de trabajo debe ser de 240°C debido a que, entre mayor sea este intervalo, el área requerida en el evaporador será menor y aumentará su eficiencia. Con respecto al flujo másico se determinó que debe ser mínimo de 2,43 kg/s de los 8,33 kg/s disponibles en el punto antes del hidrociclón para la producción de 10 kWe de potencia. Para el diseño y selección de los elementos del ORC se concluyó que el evaporador requiere un área de transferencia de 6 m2 con un número de 52 tubos de cobre con dos pasos y una longitud de 1,37 m, además presentó una eficiencia del 53 %. El condensador requiere un área de transferencia de 126 m2 con un número de 376 tubos de cobre divididos en dos pasos y una longitud de 3,19 m y presentó una eficiencia del 40 %. El sistema de expansión se seleccionó por medio de un método de comparación directa donde se evaluaron criterios tanto técnicos como económicos entre seis alternativas posibles (turbina axial, turbina radial, expansor de desplazamiento positivo, expansor de paletas, Screw Expander y Scroll Expander) resultando la mejor opción un Scroll Expander, con una relación volumétrica asociada de 1:8 y que cuenta con una eficiencia del 70 %. Así mismo se seleccionó un generador síncrono de 10 kWe PMG con 220 V, 60 Hz a 900 RPM. La bomba seleccionada es de marca Grundfos modelo NB 40-315/336 de aspiración axial que permite la relación de presión calculada para el funcionamiento del sistema de 1:6.25 y que cuenta con una eficiencia del 85 %. La eficiencia neta del ciclo fue del 10 %. Finalmente, se elaboró un modelo CAD del sistema ORC final con el objetivo de esquematizar una posible configuración del equipo y sus dimensiones y se anexa un diagrama de ensamble que muestra las dimensiones máximas aproximadas y los accesorios básicos que deberían componer el sistema.