Embed Size (px)
Citation preview
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 1 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
EL EFECTO POSITIVO DE LAS CONDICIONES DE
CONDENSACIOacuteN CUASI-CRIacuteTICAS APLICADAS A CICLOS
RANKINE
Ramoacuten Ferreiro-Garciacutea Dr Ingeniero Marino Javier Romero-Goacutemez Ingeniero Marino Manuel Romero-Goacutemez Ingeniero Marino Alberto DeMiguel-Catoira Ingeniero Marino Universidad de La Coruntildea Dpto Ingenieriacutea Industrial ETSNM Paseo de Ronda 51ndash15011 A Coruntildea Tfno +34 981167000 ferreiroudces
Recibido 30ago2012 -- Aceptado 6nov2012 - DOI httpwwwdxdoiorg106036ES1011
THE POSITIVE EFFECT OF QUASI-CRITICAL CONDENSATION
CONDITIONS APPLIED ON RANKINE CYCLES
ABSTRACT The aim of this study is to improve the cycle efficiency by associating the improvements based on (a) reducing energy losses in the heat rejection part of the cycle by contributing with the association of the concepts of condensation under quasi-critical pressure and temperature at ambient temperature (b) residual heat recovery by regeneration and (c) properly chosen working fluids where carbon dioxide ethane and xenon are considered under a criterion that obeys to the fact that they can be condensed at ambient temperature The research compares several organic working fluids such as ethane xenon and carbon dioxide operating under the proposed trans-critical Rankine cycle structures which renders interesting thermal efficiencies Key Words Rankine cycle Regeneration thermal efficiency condensation quasi-critical
RESUMEN Se tiene como objetivo la mejora de la eficiencia teacutermica del ciclo Rankine mediante la asociacioacuten de mejoras basadas en (a) la reduccioacuten de peacuterdidas energeacuteticas en el condensador por realizarse la condensacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas (b) recuperacioacuten de la energiacutea residual mediante regeneracioacuten y (c) eleccioacuten de fluidos de trabajo adecuados en donde se ha tomado en consideracioacuten el dioacutexido de carbono el etano y el xenoacuten para los que la condensacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas es llevada a cabo a temperatura ambiente En el estudio propuesto se comparan los citados fluidos operando bajo diversas estructuras del ciclo Rankine en condiciones transcriacuteticas con elevada eficiencia teacutermica Palabras Clave Ciclo Rankine Regeneracioacuten Eficiencia teacutermica Condensacioacuten cuasi-criacutetica
Nomenclatura utilizada h entalpia especiacutefica (kJkg) hL entalpia especiacutefica (liquido saturado) hV entalpia especiacutefica (vapour saturated) s entropia especiacutefica (kJkg-K) sL entropia especiacutefica (liquido saturado) sV entropia especiacutefica (vapour saturated) T temperatura (K) TK temperatura criacutetica (K) p presioacuten (bar) pK presioacuten criacutetica (bar)
calor latente de condensacioacuten (kJkg)
eficiencia teacutermica del RC
1 eficiencia teacutermica del RC (1 turbina)
2 eficiencia teacutermica del RC (2 turbinas)
c efficiency de Carnot W potencia especiacutefica (W) Wn1 potencia especiacutefica (W) (1 turbina) Wn2 potencia especiacutefica (W) (2 turbinas) Qi flujo especiacutefico de calor de entrada (W) Qi1 flujo especiacutefico de calor (W) (1 turbina) Qi2 flujo especiacutefico de calor (W) (2 turbinas) Qo flujo especiacutefico de calor de salida (W)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 2 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
1- INTRODUCCIOacuteN Las plantas teacutermicas convencionales que operan con combustibles foacutesiles energiacutea nuclear o solar bajo ciclos de
Rankine rechazan una parte importante del calor del ciclo por el condensador que es absorbido por el medio de
refrigeracioacuten lo que resulta en una notable peacuterdida de energiacutea con consecuencias negativas sobre el efecto invernadero
denotado como GWP (GWP es una medida de la contribucioacuten al calentamiento global de una masa dada de un gas al
cabo de 100 antildeos) Mientras que en un ciclo Rankine de vapor las etapas uacuteltimas de la turbina operan en la regioacuten de
cambios de fase a baja temperatura lo que conlleva a una transferencia ineficiente de trabajo en la turbina de baja
presioacuten [1-3] en la propuesta basada en condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura ambiente la condensacioacuten del vapor a
la temperatura de evacuacioacuten se halla en la zona de recalentado En un ciclo Rankine de vapor el condensador debe
operar en vaciacuteo y en consecuencia la eliminacioacuten de aire es esencial y obligatoria de lo contrario la presioacuten parcial del
aire aumenta la presioacuten total del sistema y conduce a la peacuterdida de potencia con un efecto nocivo sobre la eficiencia y la
corrosioacuten de diversos componentes del ciclo
El vapor huacutemedo a baja presioacuten y baja temperatura exhibe un volumen especiacutefico exagerado que requiere una
instalacioacuten mayor y maacutes pesada Las mayores peacuterdidas de energiacutea se producen en las turbinas de vapor de baja presioacuten
debido a la expansioacuten del vapor que al ser de baja calidad [3] resulta de difiacutecil aprovechamiento Debido a las altas
tasas de flujo volumeacutetrico se requiere de cuidados especiales para la eleccioacuten apropiada de una turbina de baja presioacuten
[2] Tales inconvenientes justifican la buacutesqueda de fluidos de trabajo alternativos De esta manera los resultados de la
investigacioacuten del presente trabajo muestran que se pueden obtener eficiencias maacutes elevadas que la convencional
obtenida con vapor de agua como fluido de trabajo
La mayoriacutea de las fuentes de energiacutea no estaacuten en principio limitadas por la temperatura a la que se puede elevar el fluido
de trabajo del ciclo de generacioacuten de energiacutea Esto es evidente operacionalmente en los sistemas que operan con
combustible foacutesil [4] [5] y en modernos reactores nucleares pero es igualmente cierto para otras fuentes de energiacutea
como la energiacutea solar se han alcanzado temperaturas superiores a los 1000 ordmC con los actuales concentradores solares
[6-8] El aumento de la eficiencia de los ciclos teacutermicos de generacioacuten de energiacutea elevando la temperatura superior no
estaacute limitado por el potencial de la fuente de energiacutea sino por la capacidad de los materiales de ingenieriacutea [2] [10] y
dispositivos para resistir temperaturas maacutes altas
Se han hecho progresos a finales del pasado siglo en relacioacuten con el aumento de la temperatura superior del ciclo Los
avances recientes en las tecnologiacuteas de turbinas de vapor y materiales de alta temperatura permitieron mejoras
significativas en la eficiencia En el estado actual de la teacutecnica son varios los fabricantes en todo el mundo con
suficiente experiencia en la construccioacuten de turbinas de vapor USC para continuar avanzando en nuevos disentildeos y
optimizar las tecnologiacuteas asociadas La aplicacioacuten probada del estado del arte en estas tecnologiacuteas asociadas al esfuerzo
para optimizar eficiencias son requisitos clave de los clientes en cualquier nuevo proyecto de planta de energiacutea
convencional incluyendo [10]
bull Optimizar el proceso de transformacioacuten de la fuente de energiacutea
bull Aumentar el valor de los paraacutemetros del fluido de trabajo o paraacutemetros de vapor
bull La reduccioacuten de la presioacuten del condensador
bull Mejorar la eficiencia interna de las turbinas de vapor (eficiencia isentroacutepica) y
bull Minimizacioacuten de irreversibilidades
Debido a las sanciones asociadas con la captura y almacenamiento del dioacutexido de carbono tales mejoras son maacutes
necesarias que nunca Los requisitos mencionados anteriormente son algunos de los resortes bien conocidos para
aumentar la eficiencia global de una planta Al elevar la temperatura por encima de los 1023 K a presiones superiores a
35 MPa y la presioacuten de la bomba de alimentacioacuten de alta a unos 42 MPa la eficiencia teacutermica alcanza entre el 47 y el
50 Para que las calderas operen a temperaturas de vapor del orden de los 1023 K y presiones de 35 MPa se utilizan
super-aleaciones basadas en niacutequel capaces de atenuar notablemente el efecto corrosivo del agua como fluido de
trabajo Se han llevado a cabo importantes esfuerzos de investigacioacuten en aleaciones especiales para lograr las
propiedades mecaacutenicas requeridas capacidad para soportar aproximadamente 40 MPa a temperaturas superiores a 1143
K sin efectos corrosivos notables
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 3 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
11- CRITEROS CONVENCIONALES PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE
La cantidad de energiacutea disponible para extraccioacuten por el fluido de trabajo es dependiente de la temperatura de
funcionamiento y la presioacuten del fluido El incremento de la diferencia entre la temperatura superior del ciclo de vapor y
la temperatura inferior del ciclo determina la cantidad de energiacutea que puede ser convertida en trabajo por la turbina de
vapor y por lo tanto la eficiencia del ciclo Tiacutepicamente el condensador opera a una temperatura y presioacuten dictada por
las condiciones externas tales como la temperatura de del fluido de enfriamiento (convencionalmente agua de una torre
de refrigeracioacuten) No es factible una reduccioacuten sustancial de la temperatura inferior La uacutenica manera teacutecnicamente
alcanzable para mejorar el rendimiento del ciclo es desplazando la liacutenea de temperatura superior hacia arriba La
temperatura del vapor estaacute limitada por los materiales disponibles que pueden sobrevivir a temperaturas elevadas
mientras mantienen sus propiedades mecaacutenicas [12] La mayoriacutea de las grandes unidades disponen de maacutes de una etapa
de recalentamiento de tal manera que se produce el vapor de agua en el vaporizador es sobrecalentado en un
sobrecalentador pasa a traveacutes de una porcioacuten de la turbina se recalienta en el recalentador y luego se retorna a traveacutes
del resto de la turbina Este procedimiento aumenta la eficiencia del ciclo sin aumentar las temperaturas de vapor
maacuteximas Las centrales teacutermicas convencionales que operan con combustibles foacutesiles se clasifican en funcioacuten de la
presioacuten como sub-criacuteticas y recientemente como super y ultra super-criacuteticas USC [13] El aumento de presioacuten de vapor
influye en la eficiencia del ciclo Asimismo permite la implementacioacuten del ciclo de doble recalentador que proporciona
una eficiencia global mas elevada
2 ESTRATEGIA PROPUESTA PARA INCREMENTAR LA EFICIENCIA TEacuteRMICA
Convencionalmente se asume seguacuten [14 - 17] que la eficiencia puede ser mejorada aumentando la gama de temperaturas
del ciclo lo que requiere la maximizacioacuten del trabajo neto Wn con respecto a Qi Han sido estudiados algunos fluidos
de trabajo incluyendo el dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo alternativas para ciclos Rankine supercriacuteticos por
algunos investigadores [18-21] Sin embargo los resultados de investigacioacuten reportados indican cierta indiferencia
En [22-23] se han estudiado nuevos ciclos termodinaacutemicos basados en el ciclo de Rankine transcriacutetico utilizando CO2
para formar un ciclo combinado de generacioacuten de energiacutea donde la recuperacioacuten de calor de baja temperatura es
efectuada mediante un ciclo Rankine con agua el cual puede operar con una eficiencia del 20
En aras a incrementar la eficiencia teacutermica de las plantas de proceso en base a la combinacioacuten de teacutecnicas no
convencionales cabe tomar en consideracioacuten la posibilidad de acoplar el ciclo propuesto a fuentes de energiacutea de alta
temperatura tales como plantas nucleares de IV generacioacuten de muy alta temperatura descritas en [24] asiacute como las
termo solares hiacutebridas en las cuales combina la energiacutea solar con fuentes de energiacutea de origen foacutesil seguacuten se describe en
[25] o las termo solares de alta temperatura seguacuten [26] Otras configuraciones encaminadas al aprovechamiento
energeacutetico de muy alta temperatura conciernen a la utilizacioacuten de los calores residuales tales como las plantas descritas
en [27]
En [22-23] se han estudiado nuevos ciclos termodinaacutemicos basados en Rankine con energiacutea solar utilizando CO2
transcriacutetico en los que se utiliza la energiacutea solar y el dioacutexido de carbono para formar un ciclo combinado de generacioacuten
de energiacutea donde la recuperacioacuten de calor de baja temperatura es efectuada mediante un ciclo Rankine con agua que
rinde una eficiencia del 20
En este trabajo el esfuerzo de investigacioacuten estaacute centrado en la buacutesqueda de nuevas alternativas realizables que
muestren que la eficiencia puede ser mejorada con la asociacioacuten de las siguientes acciones sobre el ciclo Rankine
transcriacutetico donde el dioacutexido de carbono juegan un papel importante
Transferir el calor residual procedente de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten contenido en el fluido de
trabajo a la descarga de la bomba de alimentacioacuten por medio de una etapa de regeneracioacuten
Condensacioacuten del fluido de trabajo a presioacuten y temperatura cuasi-criacutetica que significa rechazar la miacutenima
cantidad posible de calor al condensador
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 4 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo (orgaacutenico o no) que se pueda condensar a temperatura ambiente
como es el caso de dioacutexido de carbono en condiciones cuasi-criacuteticas
21- RECUPERACIOacuteN DE CALOR EVACUADO POR LA TURBINA DE BAJA PRESIOacuteN MEDIANTE REGENERACIOacuteN
Idealmente la evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas hacia el condensador implica
descargar el fluido de trabajo a una presioacuten ligeramente superior a su presioacuten criacutetica Sin embargo el caso real es que la
temperatura de escape de la turbina de baja presioacuten es superior debido a las peacuterdidas inherentes a la eficiencia
isentroacutepica y por consiguiente la cantidad de calor transferida con el fluido de trabajo al condensador debe ser
recuperada por medio de un intercambiador de calor o regenerador Tal cantidad de calor es recuperada por
regeneracioacuten retornando una parte importante del calor al fluido de trabajo despueacutes de la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como se muestra en la figura 1
Fig 1 Ciclo Rankine asociado con su diagrama T-s mostrando la estructura de la regeneracioacuten en modo de modo de
condensacioacuten cuasi-criacutetico
El esquema de este tipo de contribucioacuten se muestra en la figura 1 donde se recupera el calor rechazado por el fluido de
trabajo en el lado de escape de la turbina de baja opresioacuten (h4-h4x) por el fluido de trabajo en la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como (h2X-h2)
Aunque la regeneracioacuten es un medio convencional para aumentar la eficiencia del ciclo Rankine en este caso la
regeneracioacuten se ubica despueacutes de la turbina de baja presioacuten y antes del condensador lo cual no es lo tiacutepico en ciclos
Rankine Esta contribucioacuten es relevante para mejora de la eficiencia cuando se asocia al hecho de aplicar condensacioacuten
en condiciones cuasi-criacuteticas con los fluidos de trabajo elegidos
22- MINIMIZACIOacuteN DEL CALOR LATENTE DE CONDENSACIOacuteN
En esta seccioacuten se describe el efecto del disentildeo del ciclo Rankine caracterizado por la fase de condensacioacuten de los
fluidos de trabajo a una temperatura y presioacuten aproximas al punto criacutetico Por lo tanto se toma en consideracioacuten la
siguiente proposicioacuten basada en conocimiento experimental o heuriacutestico El calor latente de condensacioacuten puede ser
reducido y en consecuencia el calor rechazado hacia el condensador al conseguir condiciones de condensacioacuten cuasi-
criacuteticas a temperatura ambiente para lo cual la presioacuten se aproximaraacute a la presioacuten criacutetica mientras que el temperatura
ambiente estaacute ligeramente por debajo de la temperatura criacutetica
Fuente de energiacutea
G
(2x)
(3b)
(4)
(1)
(4x)
(2)
(3) (3a)
regenerador
condensador
T
s
2
1
4
3
3a 3b
2x
4x
T4
T2x
T4x
T2
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 5 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
De acuerdo con la curva de saturacioacuten del fluido de trabajo considerado s se acerca al valor miacutenimo de TL TV TK
ya que para T = TK
= hV - hL = T(sV- sL) 0 (1)
La temperatura preferida para el cambio de fase es TK-ε denotado como temperatura cuasi-criacutetica donde ε es un
valor experimental positivo tal que 5 ltε lt8 (para el xenoacuten etano y dioacutexido de carbono) el cual depende de las
caracteriacutesticas del fluido de trabajo
En consecuencia para esta temperatura se deduce que a la presioacuten critica pK y su temperatura cuasi-criacutetica TK-ε el calor
latente de de condensacioacuten (TK-ε) se expresa como
))(())(()( ThfThfT VL (2)
Admitiendo un ciclo Rankine regenerativo dotado con la etapa de regeneracioacuten despueacutes del escape de la turbina de baja
presioacuten como se muestra en la Figura 1 (izquierda) el calor rechazado se denota como Qo = (h4x-h1) Por lo tanto la
cantidad de energiacutea perdida en el ciclo es el calor cedido al condensador maacutes el trabajo de la bomba (h2-h1) que se
define como
1241214 2)()( hhhhhhhQ xxLOST (3)
El objetivo de mejorar la eficiencia nos conduciraacute a la minimizacioacuten de la energiacutea perdida por el establecimiento de una
presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten tal que T1 = TK-ε
En la figura 1 (derecha) se muestra el diagrama T-s de un ciclo Rankine cuasi-criacutetico de dos unidades de turbina en el
que se muestran el estado de los puntos maacutes representativos del ciclo posteriormente considerados por medio de un
estudio del caso La eficiencia de ciclo Rankine de condensacioacuten cuasi-criacutetica se obtiene de la siguiente manera
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para una uacutenica unidad de turbina se define como
)( 231 xi hhQ (4)
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para dos unidades de turbina se define como
)()( 33232 abxi hhhhQ (5)
El flujo especiacutefico de calor rechazado por el ciclo Qo se define como
)( 14 hhQ xo (6)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo Rankine de turbina uacutenica unidad se define como
)()( 12431 hhhhWn (7)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo de Rankine dos unidades de turbina se define como
)()()( 1243332 hhhhhhW ban (8)
La eficiencia teacutermica del ciclo para una uacutenica turbina se define como
)(
)()(
23
1243
1
11
xi
n
hh
hhhh
Q
W
(9)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 6 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La eficiencia del ciclo teacutermico para dos turbinas se define como
)()(
)()()(
3323
124333
2
2
2
abx
ba
i
n
hhhh
hhhhhh
Q
W
(10)
Seguacuten el diagrama T-s mostrado en la figura 2 con el fin de satisfacer la primera y segunda ley de la termodinaacutemica se
deben cumplir las siguientes condiciones considerando las irreversibilidades insignificantes
Condiciones requeridas por el primer principio
)()( 2244 hhhh xx (11)
Condiciones requeridas por el segundo principio
24 TT x (12)
xTT 24 (13)
xTT 44 (14)
22 TT x (15)
En la buacutesqueda de la maacutexima eficiencia teacutermica alcanzable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
seguacuten las expresiones (9) y (10) la maacutexima eficiencia del ciclo teacutermico implica miacutenimo Qi lo que significa h2X maacuteximo
y miacutenimo h4x De acuerdo con la informacioacuten proporcionada por la figura 2 el ciclo debe satisfacer la condicioacuten de la
expresioacuten (12) En consecuencia el valor miacutenimo para h4x (la entalpiacutea a temperatura T4x) es h2 (la entalpiacutea a la
temperatura T2) Sin embargo los requisitos para la realizacioacuten praacutectica exigen una diferencia de temperatura de al
menos 20 grados con el fin de permitir un flujo de transferencia de calor aceptable Como consecuencia de esta
restriccioacuten un compromiso debe existir entre la diferencia de temperatura mencionada y el flujo de transferencia de
calor que sin duda influye en el tamantildeo de los intercambiadores de calor y especialmente en el tamantildeo del regenerador
de la planta
23- LA SELECCIOacuteN DEL FLUIDO DE TRABAJO APROPIADO Y DISPONIBLE
El criterio para la seleccioacuten del fluido de trabajo aplicable al ciclo Rankine propuesto obedece a las propiedades fiacutesicas
de condensacioacuten [24] El objetivo es que el fluido de trabajo elegido pueda ser condensado en condiciones cuasi-criacuteticas
y a temperatura ambiente con objeto de que pueda ser condensado con los medios de enfriamiento disponibles
Solamente unos cuantos fluidos cumplen tal propiedad y entre ellos solamente los mostrados en la Tabla 1 son aptos
para operar como fluidos de trabajo en condiciones transcriacuteticas a altas presiones y temperaturas en comparacioacuten con
los fluidos orgaacutenicos convencionales
Fluido de trabajo
p criacutetica pk (bar)
T critical Tk (K)
T miacutenima (K)
Punto ebullicioacuten (K)
T maacutexima (K) T ambient (K)
CO2 7377 30413 2166 19475 2000 290-310
Ethane 485 3053 9036 18457 675 290-310
Xenon 5842 28973 16141 165 750 285-310
Tabla 1 Caracteriacutesticas de los fluidos de trabajo que satisfacen la condenacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas a
temperatura ambiente
La Tabla 1 muestra que los tres fluidos seleccionados tienen en comuacuten la temperatura de condensacioacuten que estaacute en torno
a la temperatura ambiente y estaacute proacutexima a sus respectivas temperaturas criacuteticas
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 2 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
1- INTRODUCCIOacuteN Las plantas teacutermicas convencionales que operan con combustibles foacutesiles energiacutea nuclear o solar bajo ciclos de
Rankine rechazan una parte importante del calor del ciclo por el condensador que es absorbido por el medio de
refrigeracioacuten lo que resulta en una notable peacuterdida de energiacutea con consecuencias negativas sobre el efecto invernadero
denotado como GWP (GWP es una medida de la contribucioacuten al calentamiento global de una masa dada de un gas al
cabo de 100 antildeos) Mientras que en un ciclo Rankine de vapor las etapas uacuteltimas de la turbina operan en la regioacuten de
cambios de fase a baja temperatura lo que conlleva a una transferencia ineficiente de trabajo en la turbina de baja
presioacuten [1-3] en la propuesta basada en condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura ambiente la condensacioacuten del vapor a
la temperatura de evacuacioacuten se halla en la zona de recalentado En un ciclo Rankine de vapor el condensador debe
operar en vaciacuteo y en consecuencia la eliminacioacuten de aire es esencial y obligatoria de lo contrario la presioacuten parcial del
aire aumenta la presioacuten total del sistema y conduce a la peacuterdida de potencia con un efecto nocivo sobre la eficiencia y la
corrosioacuten de diversos componentes del ciclo
El vapor huacutemedo a baja presioacuten y baja temperatura exhibe un volumen especiacutefico exagerado que requiere una
instalacioacuten mayor y maacutes pesada Las mayores peacuterdidas de energiacutea se producen en las turbinas de vapor de baja presioacuten
debido a la expansioacuten del vapor que al ser de baja calidad [3] resulta de difiacutecil aprovechamiento Debido a las altas
tasas de flujo volumeacutetrico se requiere de cuidados especiales para la eleccioacuten apropiada de una turbina de baja presioacuten
[2] Tales inconvenientes justifican la buacutesqueda de fluidos de trabajo alternativos De esta manera los resultados de la
investigacioacuten del presente trabajo muestran que se pueden obtener eficiencias maacutes elevadas que la convencional
obtenida con vapor de agua como fluido de trabajo
La mayoriacutea de las fuentes de energiacutea no estaacuten en principio limitadas por la temperatura a la que se puede elevar el fluido
de trabajo del ciclo de generacioacuten de energiacutea Esto es evidente operacionalmente en los sistemas que operan con
combustible foacutesil [4] [5] y en modernos reactores nucleares pero es igualmente cierto para otras fuentes de energiacutea
como la energiacutea solar se han alcanzado temperaturas superiores a los 1000 ordmC con los actuales concentradores solares
[6-8] El aumento de la eficiencia de los ciclos teacutermicos de generacioacuten de energiacutea elevando la temperatura superior no
estaacute limitado por el potencial de la fuente de energiacutea sino por la capacidad de los materiales de ingenieriacutea [2] [10] y
dispositivos para resistir temperaturas maacutes altas
Se han hecho progresos a finales del pasado siglo en relacioacuten con el aumento de la temperatura superior del ciclo Los
avances recientes en las tecnologiacuteas de turbinas de vapor y materiales de alta temperatura permitieron mejoras
significativas en la eficiencia En el estado actual de la teacutecnica son varios los fabricantes en todo el mundo con
suficiente experiencia en la construccioacuten de turbinas de vapor USC para continuar avanzando en nuevos disentildeos y
optimizar las tecnologiacuteas asociadas La aplicacioacuten probada del estado del arte en estas tecnologiacuteas asociadas al esfuerzo
para optimizar eficiencias son requisitos clave de los clientes en cualquier nuevo proyecto de planta de energiacutea
convencional incluyendo [10]
bull Optimizar el proceso de transformacioacuten de la fuente de energiacutea
bull Aumentar el valor de los paraacutemetros del fluido de trabajo o paraacutemetros de vapor
bull La reduccioacuten de la presioacuten del condensador
bull Mejorar la eficiencia interna de las turbinas de vapor (eficiencia isentroacutepica) y
bull Minimizacioacuten de irreversibilidades
Debido a las sanciones asociadas con la captura y almacenamiento del dioacutexido de carbono tales mejoras son maacutes
necesarias que nunca Los requisitos mencionados anteriormente son algunos de los resortes bien conocidos para
aumentar la eficiencia global de una planta Al elevar la temperatura por encima de los 1023 K a presiones superiores a
35 MPa y la presioacuten de la bomba de alimentacioacuten de alta a unos 42 MPa la eficiencia teacutermica alcanza entre el 47 y el
50 Para que las calderas operen a temperaturas de vapor del orden de los 1023 K y presiones de 35 MPa se utilizan
super-aleaciones basadas en niacutequel capaces de atenuar notablemente el efecto corrosivo del agua como fluido de
trabajo Se han llevado a cabo importantes esfuerzos de investigacioacuten en aleaciones especiales para lograr las
propiedades mecaacutenicas requeridas capacidad para soportar aproximadamente 40 MPa a temperaturas superiores a 1143
K sin efectos corrosivos notables
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 3 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
11- CRITEROS CONVENCIONALES PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE
La cantidad de energiacutea disponible para extraccioacuten por el fluido de trabajo es dependiente de la temperatura de
funcionamiento y la presioacuten del fluido El incremento de la diferencia entre la temperatura superior del ciclo de vapor y
la temperatura inferior del ciclo determina la cantidad de energiacutea que puede ser convertida en trabajo por la turbina de
vapor y por lo tanto la eficiencia del ciclo Tiacutepicamente el condensador opera a una temperatura y presioacuten dictada por
las condiciones externas tales como la temperatura de del fluido de enfriamiento (convencionalmente agua de una torre
de refrigeracioacuten) No es factible una reduccioacuten sustancial de la temperatura inferior La uacutenica manera teacutecnicamente
alcanzable para mejorar el rendimiento del ciclo es desplazando la liacutenea de temperatura superior hacia arriba La
temperatura del vapor estaacute limitada por los materiales disponibles que pueden sobrevivir a temperaturas elevadas
mientras mantienen sus propiedades mecaacutenicas [12] La mayoriacutea de las grandes unidades disponen de maacutes de una etapa
de recalentamiento de tal manera que se produce el vapor de agua en el vaporizador es sobrecalentado en un
sobrecalentador pasa a traveacutes de una porcioacuten de la turbina se recalienta en el recalentador y luego se retorna a traveacutes
del resto de la turbina Este procedimiento aumenta la eficiencia del ciclo sin aumentar las temperaturas de vapor
maacuteximas Las centrales teacutermicas convencionales que operan con combustibles foacutesiles se clasifican en funcioacuten de la
presioacuten como sub-criacuteticas y recientemente como super y ultra super-criacuteticas USC [13] El aumento de presioacuten de vapor
influye en la eficiencia del ciclo Asimismo permite la implementacioacuten del ciclo de doble recalentador que proporciona
una eficiencia global mas elevada
2 ESTRATEGIA PROPUESTA PARA INCREMENTAR LA EFICIENCIA TEacuteRMICA
Convencionalmente se asume seguacuten [14 - 17] que la eficiencia puede ser mejorada aumentando la gama de temperaturas
del ciclo lo que requiere la maximizacioacuten del trabajo neto Wn con respecto a Qi Han sido estudiados algunos fluidos
de trabajo incluyendo el dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo alternativas para ciclos Rankine supercriacuteticos por
algunos investigadores [18-21] Sin embargo los resultados de investigacioacuten reportados indican cierta indiferencia
En [22-23] se han estudiado nuevos ciclos termodinaacutemicos basados en el ciclo de Rankine transcriacutetico utilizando CO2
para formar un ciclo combinado de generacioacuten de energiacutea donde la recuperacioacuten de calor de baja temperatura es
efectuada mediante un ciclo Rankine con agua el cual puede operar con una eficiencia del 20
En aras a incrementar la eficiencia teacutermica de las plantas de proceso en base a la combinacioacuten de teacutecnicas no
convencionales cabe tomar en consideracioacuten la posibilidad de acoplar el ciclo propuesto a fuentes de energiacutea de alta
temperatura tales como plantas nucleares de IV generacioacuten de muy alta temperatura descritas en [24] asiacute como las
termo solares hiacutebridas en las cuales combina la energiacutea solar con fuentes de energiacutea de origen foacutesil seguacuten se describe en
[25] o las termo solares de alta temperatura seguacuten [26] Otras configuraciones encaminadas al aprovechamiento
energeacutetico de muy alta temperatura conciernen a la utilizacioacuten de los calores residuales tales como las plantas descritas
en [27]
En [22-23] se han estudiado nuevos ciclos termodinaacutemicos basados en Rankine con energiacutea solar utilizando CO2
transcriacutetico en los que se utiliza la energiacutea solar y el dioacutexido de carbono para formar un ciclo combinado de generacioacuten
de energiacutea donde la recuperacioacuten de calor de baja temperatura es efectuada mediante un ciclo Rankine con agua que
rinde una eficiencia del 20
En este trabajo el esfuerzo de investigacioacuten estaacute centrado en la buacutesqueda de nuevas alternativas realizables que
muestren que la eficiencia puede ser mejorada con la asociacioacuten de las siguientes acciones sobre el ciclo Rankine
transcriacutetico donde el dioacutexido de carbono juegan un papel importante
Transferir el calor residual procedente de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten contenido en el fluido de
trabajo a la descarga de la bomba de alimentacioacuten por medio de una etapa de regeneracioacuten
Condensacioacuten del fluido de trabajo a presioacuten y temperatura cuasi-criacutetica que significa rechazar la miacutenima
cantidad posible de calor al condensador
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 4 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo (orgaacutenico o no) que se pueda condensar a temperatura ambiente
como es el caso de dioacutexido de carbono en condiciones cuasi-criacuteticas
21- RECUPERACIOacuteN DE CALOR EVACUADO POR LA TURBINA DE BAJA PRESIOacuteN MEDIANTE REGENERACIOacuteN
Idealmente la evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas hacia el condensador implica
descargar el fluido de trabajo a una presioacuten ligeramente superior a su presioacuten criacutetica Sin embargo el caso real es que la
temperatura de escape de la turbina de baja presioacuten es superior debido a las peacuterdidas inherentes a la eficiencia
isentroacutepica y por consiguiente la cantidad de calor transferida con el fluido de trabajo al condensador debe ser
recuperada por medio de un intercambiador de calor o regenerador Tal cantidad de calor es recuperada por
regeneracioacuten retornando una parte importante del calor al fluido de trabajo despueacutes de la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como se muestra en la figura 1
Fig 1 Ciclo Rankine asociado con su diagrama T-s mostrando la estructura de la regeneracioacuten en modo de modo de
condensacioacuten cuasi-criacutetico
El esquema de este tipo de contribucioacuten se muestra en la figura 1 donde se recupera el calor rechazado por el fluido de
trabajo en el lado de escape de la turbina de baja opresioacuten (h4-h4x) por el fluido de trabajo en la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como (h2X-h2)
Aunque la regeneracioacuten es un medio convencional para aumentar la eficiencia del ciclo Rankine en este caso la
regeneracioacuten se ubica despueacutes de la turbina de baja presioacuten y antes del condensador lo cual no es lo tiacutepico en ciclos
Rankine Esta contribucioacuten es relevante para mejora de la eficiencia cuando se asocia al hecho de aplicar condensacioacuten
en condiciones cuasi-criacuteticas con los fluidos de trabajo elegidos
22- MINIMIZACIOacuteN DEL CALOR LATENTE DE CONDENSACIOacuteN
En esta seccioacuten se describe el efecto del disentildeo del ciclo Rankine caracterizado por la fase de condensacioacuten de los
fluidos de trabajo a una temperatura y presioacuten aproximas al punto criacutetico Por lo tanto se toma en consideracioacuten la
siguiente proposicioacuten basada en conocimiento experimental o heuriacutestico El calor latente de condensacioacuten puede ser
reducido y en consecuencia el calor rechazado hacia el condensador al conseguir condiciones de condensacioacuten cuasi-
criacuteticas a temperatura ambiente para lo cual la presioacuten se aproximaraacute a la presioacuten criacutetica mientras que el temperatura
ambiente estaacute ligeramente por debajo de la temperatura criacutetica
Fuente de energiacutea
G
(2x)
(3b)
(4)
(1)
(4x)
(2)
(3) (3a)
regenerador
condensador
T
s
2
1
4
3
3a 3b
2x
4x
T4
T2x
T4x
T2
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 5 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
De acuerdo con la curva de saturacioacuten del fluido de trabajo considerado s se acerca al valor miacutenimo de TL TV TK
ya que para T = TK
= hV - hL = T(sV- sL) 0 (1)
La temperatura preferida para el cambio de fase es TK-ε denotado como temperatura cuasi-criacutetica donde ε es un
valor experimental positivo tal que 5 ltε lt8 (para el xenoacuten etano y dioacutexido de carbono) el cual depende de las
caracteriacutesticas del fluido de trabajo
En consecuencia para esta temperatura se deduce que a la presioacuten critica pK y su temperatura cuasi-criacutetica TK-ε el calor
latente de de condensacioacuten (TK-ε) se expresa como
))(())(()( ThfThfT VL (2)
Admitiendo un ciclo Rankine regenerativo dotado con la etapa de regeneracioacuten despueacutes del escape de la turbina de baja
presioacuten como se muestra en la Figura 1 (izquierda) el calor rechazado se denota como Qo = (h4x-h1) Por lo tanto la
cantidad de energiacutea perdida en el ciclo es el calor cedido al condensador maacutes el trabajo de la bomba (h2-h1) que se
define como
1241214 2)()( hhhhhhhQ xxLOST (3)
El objetivo de mejorar la eficiencia nos conduciraacute a la minimizacioacuten de la energiacutea perdida por el establecimiento de una
presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten tal que T1 = TK-ε
En la figura 1 (derecha) se muestra el diagrama T-s de un ciclo Rankine cuasi-criacutetico de dos unidades de turbina en el
que se muestran el estado de los puntos maacutes representativos del ciclo posteriormente considerados por medio de un
estudio del caso La eficiencia de ciclo Rankine de condensacioacuten cuasi-criacutetica se obtiene de la siguiente manera
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para una uacutenica unidad de turbina se define como
)( 231 xi hhQ (4)
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para dos unidades de turbina se define como
)()( 33232 abxi hhhhQ (5)
El flujo especiacutefico de calor rechazado por el ciclo Qo se define como
)( 14 hhQ xo (6)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo Rankine de turbina uacutenica unidad se define como
)()( 12431 hhhhWn (7)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo de Rankine dos unidades de turbina se define como
)()()( 1243332 hhhhhhW ban (8)
La eficiencia teacutermica del ciclo para una uacutenica turbina se define como
)(
)()(
23
1243
1
11
xi
n
hh
hhhh
Q
W
(9)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 6 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La eficiencia del ciclo teacutermico para dos turbinas se define como
)()(
)()()(
3323
124333
2
2
2
abx
ba
i
n
hhhh
hhhhhh
Q
W
(10)
Seguacuten el diagrama T-s mostrado en la figura 2 con el fin de satisfacer la primera y segunda ley de la termodinaacutemica se
deben cumplir las siguientes condiciones considerando las irreversibilidades insignificantes
Condiciones requeridas por el primer principio
)()( 2244 hhhh xx (11)
Condiciones requeridas por el segundo principio
24 TT x (12)
xTT 24 (13)
xTT 44 (14)
22 TT x (15)
En la buacutesqueda de la maacutexima eficiencia teacutermica alcanzable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
seguacuten las expresiones (9) y (10) la maacutexima eficiencia del ciclo teacutermico implica miacutenimo Qi lo que significa h2X maacuteximo
y miacutenimo h4x De acuerdo con la informacioacuten proporcionada por la figura 2 el ciclo debe satisfacer la condicioacuten de la
expresioacuten (12) En consecuencia el valor miacutenimo para h4x (la entalpiacutea a temperatura T4x) es h2 (la entalpiacutea a la
temperatura T2) Sin embargo los requisitos para la realizacioacuten praacutectica exigen una diferencia de temperatura de al
menos 20 grados con el fin de permitir un flujo de transferencia de calor aceptable Como consecuencia de esta
restriccioacuten un compromiso debe existir entre la diferencia de temperatura mencionada y el flujo de transferencia de
calor que sin duda influye en el tamantildeo de los intercambiadores de calor y especialmente en el tamantildeo del regenerador
de la planta
23- LA SELECCIOacuteN DEL FLUIDO DE TRABAJO APROPIADO Y DISPONIBLE
El criterio para la seleccioacuten del fluido de trabajo aplicable al ciclo Rankine propuesto obedece a las propiedades fiacutesicas
de condensacioacuten [24] El objetivo es que el fluido de trabajo elegido pueda ser condensado en condiciones cuasi-criacuteticas
y a temperatura ambiente con objeto de que pueda ser condensado con los medios de enfriamiento disponibles
Solamente unos cuantos fluidos cumplen tal propiedad y entre ellos solamente los mostrados en la Tabla 1 son aptos
para operar como fluidos de trabajo en condiciones transcriacuteticas a altas presiones y temperaturas en comparacioacuten con
los fluidos orgaacutenicos convencionales
Fluido de trabajo
p criacutetica pk (bar)
T critical Tk (K)
T miacutenima (K)
Punto ebullicioacuten (K)
T maacutexima (K) T ambient (K)
CO2 7377 30413 2166 19475 2000 290-310
Ethane 485 3053 9036 18457 675 290-310
Xenon 5842 28973 16141 165 750 285-310
Tabla 1 Caracteriacutesticas de los fluidos de trabajo que satisfacen la condenacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas a
temperatura ambiente
La Tabla 1 muestra que los tres fluidos seleccionados tienen en comuacuten la temperatura de condensacioacuten que estaacute en torno
a la temperatura ambiente y estaacute proacutexima a sus respectivas temperaturas criacuteticas
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 3 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
11- CRITEROS CONVENCIONALES PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE
La cantidad de energiacutea disponible para extraccioacuten por el fluido de trabajo es dependiente de la temperatura de
funcionamiento y la presioacuten del fluido El incremento de la diferencia entre la temperatura superior del ciclo de vapor y
la temperatura inferior del ciclo determina la cantidad de energiacutea que puede ser convertida en trabajo por la turbina de
vapor y por lo tanto la eficiencia del ciclo Tiacutepicamente el condensador opera a una temperatura y presioacuten dictada por
las condiciones externas tales como la temperatura de del fluido de enfriamiento (convencionalmente agua de una torre
de refrigeracioacuten) No es factible una reduccioacuten sustancial de la temperatura inferior La uacutenica manera teacutecnicamente
alcanzable para mejorar el rendimiento del ciclo es desplazando la liacutenea de temperatura superior hacia arriba La
temperatura del vapor estaacute limitada por los materiales disponibles que pueden sobrevivir a temperaturas elevadas
mientras mantienen sus propiedades mecaacutenicas [12] La mayoriacutea de las grandes unidades disponen de maacutes de una etapa
de recalentamiento de tal manera que se produce el vapor de agua en el vaporizador es sobrecalentado en un
sobrecalentador pasa a traveacutes de una porcioacuten de la turbina se recalienta en el recalentador y luego se retorna a traveacutes
del resto de la turbina Este procedimiento aumenta la eficiencia del ciclo sin aumentar las temperaturas de vapor
maacuteximas Las centrales teacutermicas convencionales que operan con combustibles foacutesiles se clasifican en funcioacuten de la
presioacuten como sub-criacuteticas y recientemente como super y ultra super-criacuteticas USC [13] El aumento de presioacuten de vapor
influye en la eficiencia del ciclo Asimismo permite la implementacioacuten del ciclo de doble recalentador que proporciona
una eficiencia global mas elevada
2 ESTRATEGIA PROPUESTA PARA INCREMENTAR LA EFICIENCIA TEacuteRMICA
Convencionalmente se asume seguacuten [14 - 17] que la eficiencia puede ser mejorada aumentando la gama de temperaturas
del ciclo lo que requiere la maximizacioacuten del trabajo neto Wn con respecto a Qi Han sido estudiados algunos fluidos
de trabajo incluyendo el dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo alternativas para ciclos Rankine supercriacuteticos por
algunos investigadores [18-21] Sin embargo los resultados de investigacioacuten reportados indican cierta indiferencia
En [22-23] se han estudiado nuevos ciclos termodinaacutemicos basados en el ciclo de Rankine transcriacutetico utilizando CO2
para formar un ciclo combinado de generacioacuten de energiacutea donde la recuperacioacuten de calor de baja temperatura es
efectuada mediante un ciclo Rankine con agua el cual puede operar con una eficiencia del 20
En aras a incrementar la eficiencia teacutermica de las plantas de proceso en base a la combinacioacuten de teacutecnicas no
convencionales cabe tomar en consideracioacuten la posibilidad de acoplar el ciclo propuesto a fuentes de energiacutea de alta
temperatura tales como plantas nucleares de IV generacioacuten de muy alta temperatura descritas en [24] asiacute como las
termo solares hiacutebridas en las cuales combina la energiacutea solar con fuentes de energiacutea de origen foacutesil seguacuten se describe en
[25] o las termo solares de alta temperatura seguacuten [26] Otras configuraciones encaminadas al aprovechamiento
energeacutetico de muy alta temperatura conciernen a la utilizacioacuten de los calores residuales tales como las plantas descritas
en [27]
En [22-23] se han estudiado nuevos ciclos termodinaacutemicos basados en Rankine con energiacutea solar utilizando CO2
transcriacutetico en los que se utiliza la energiacutea solar y el dioacutexido de carbono para formar un ciclo combinado de generacioacuten
de energiacutea donde la recuperacioacuten de calor de baja temperatura es efectuada mediante un ciclo Rankine con agua que
rinde una eficiencia del 20
En este trabajo el esfuerzo de investigacioacuten estaacute centrado en la buacutesqueda de nuevas alternativas realizables que
muestren que la eficiencia puede ser mejorada con la asociacioacuten de las siguientes acciones sobre el ciclo Rankine
transcriacutetico donde el dioacutexido de carbono juegan un papel importante
Transferir el calor residual procedente de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten contenido en el fluido de
trabajo a la descarga de la bomba de alimentacioacuten por medio de una etapa de regeneracioacuten
Condensacioacuten del fluido de trabajo a presioacuten y temperatura cuasi-criacutetica que significa rechazar la miacutenima
cantidad posible de calor al condensador
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 4 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo (orgaacutenico o no) que se pueda condensar a temperatura ambiente
como es el caso de dioacutexido de carbono en condiciones cuasi-criacuteticas
21- RECUPERACIOacuteN DE CALOR EVACUADO POR LA TURBINA DE BAJA PRESIOacuteN MEDIANTE REGENERACIOacuteN
Idealmente la evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas hacia el condensador implica
descargar el fluido de trabajo a una presioacuten ligeramente superior a su presioacuten criacutetica Sin embargo el caso real es que la
temperatura de escape de la turbina de baja presioacuten es superior debido a las peacuterdidas inherentes a la eficiencia
isentroacutepica y por consiguiente la cantidad de calor transferida con el fluido de trabajo al condensador debe ser
recuperada por medio de un intercambiador de calor o regenerador Tal cantidad de calor es recuperada por
regeneracioacuten retornando una parte importante del calor al fluido de trabajo despueacutes de la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como se muestra en la figura 1
Fig 1 Ciclo Rankine asociado con su diagrama T-s mostrando la estructura de la regeneracioacuten en modo de modo de
condensacioacuten cuasi-criacutetico
El esquema de este tipo de contribucioacuten se muestra en la figura 1 donde se recupera el calor rechazado por el fluido de
trabajo en el lado de escape de la turbina de baja opresioacuten (h4-h4x) por el fluido de trabajo en la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como (h2X-h2)
Aunque la regeneracioacuten es un medio convencional para aumentar la eficiencia del ciclo Rankine en este caso la
regeneracioacuten se ubica despueacutes de la turbina de baja presioacuten y antes del condensador lo cual no es lo tiacutepico en ciclos
Rankine Esta contribucioacuten es relevante para mejora de la eficiencia cuando se asocia al hecho de aplicar condensacioacuten
en condiciones cuasi-criacuteticas con los fluidos de trabajo elegidos
22- MINIMIZACIOacuteN DEL CALOR LATENTE DE CONDENSACIOacuteN
En esta seccioacuten se describe el efecto del disentildeo del ciclo Rankine caracterizado por la fase de condensacioacuten de los
fluidos de trabajo a una temperatura y presioacuten aproximas al punto criacutetico Por lo tanto se toma en consideracioacuten la
siguiente proposicioacuten basada en conocimiento experimental o heuriacutestico El calor latente de condensacioacuten puede ser
reducido y en consecuencia el calor rechazado hacia el condensador al conseguir condiciones de condensacioacuten cuasi-
criacuteticas a temperatura ambiente para lo cual la presioacuten se aproximaraacute a la presioacuten criacutetica mientras que el temperatura
ambiente estaacute ligeramente por debajo de la temperatura criacutetica
Fuente de energiacutea
G
(2x)
(3b)
(4)
(1)
(4x)
(2)
(3) (3a)
regenerador
condensador
T
s
2
1
4
3
3a 3b
2x
4x
T4
T2x
T4x
T2
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 5 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
De acuerdo con la curva de saturacioacuten del fluido de trabajo considerado s se acerca al valor miacutenimo de TL TV TK
ya que para T = TK
= hV - hL = T(sV- sL) 0 (1)
La temperatura preferida para el cambio de fase es TK-ε denotado como temperatura cuasi-criacutetica donde ε es un
valor experimental positivo tal que 5 ltε lt8 (para el xenoacuten etano y dioacutexido de carbono) el cual depende de las
caracteriacutesticas del fluido de trabajo
En consecuencia para esta temperatura se deduce que a la presioacuten critica pK y su temperatura cuasi-criacutetica TK-ε el calor
latente de de condensacioacuten (TK-ε) se expresa como
))(())(()( ThfThfT VL (2)
Admitiendo un ciclo Rankine regenerativo dotado con la etapa de regeneracioacuten despueacutes del escape de la turbina de baja
presioacuten como se muestra en la Figura 1 (izquierda) el calor rechazado se denota como Qo = (h4x-h1) Por lo tanto la
cantidad de energiacutea perdida en el ciclo es el calor cedido al condensador maacutes el trabajo de la bomba (h2-h1) que se
define como
1241214 2)()( hhhhhhhQ xxLOST (3)
El objetivo de mejorar la eficiencia nos conduciraacute a la minimizacioacuten de la energiacutea perdida por el establecimiento de una
presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten tal que T1 = TK-ε
En la figura 1 (derecha) se muestra el diagrama T-s de un ciclo Rankine cuasi-criacutetico de dos unidades de turbina en el
que se muestran el estado de los puntos maacutes representativos del ciclo posteriormente considerados por medio de un
estudio del caso La eficiencia de ciclo Rankine de condensacioacuten cuasi-criacutetica se obtiene de la siguiente manera
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para una uacutenica unidad de turbina se define como
)( 231 xi hhQ (4)
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para dos unidades de turbina se define como
)()( 33232 abxi hhhhQ (5)
El flujo especiacutefico de calor rechazado por el ciclo Qo se define como
)( 14 hhQ xo (6)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo Rankine de turbina uacutenica unidad se define como
)()( 12431 hhhhWn (7)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo de Rankine dos unidades de turbina se define como
)()()( 1243332 hhhhhhW ban (8)
La eficiencia teacutermica del ciclo para una uacutenica turbina se define como
)(
)()(
23
1243
1
11
xi
n
hh
hhhh
Q
W
(9)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 6 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La eficiencia del ciclo teacutermico para dos turbinas se define como
)()(
)()()(
3323
124333
2
2
2
abx
ba
i
n
hhhh
hhhhhh
Q
W
(10)
Seguacuten el diagrama T-s mostrado en la figura 2 con el fin de satisfacer la primera y segunda ley de la termodinaacutemica se
deben cumplir las siguientes condiciones considerando las irreversibilidades insignificantes
Condiciones requeridas por el primer principio
)()( 2244 hhhh xx (11)
Condiciones requeridas por el segundo principio
24 TT x (12)
xTT 24 (13)
xTT 44 (14)
22 TT x (15)
En la buacutesqueda de la maacutexima eficiencia teacutermica alcanzable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
seguacuten las expresiones (9) y (10) la maacutexima eficiencia del ciclo teacutermico implica miacutenimo Qi lo que significa h2X maacuteximo
y miacutenimo h4x De acuerdo con la informacioacuten proporcionada por la figura 2 el ciclo debe satisfacer la condicioacuten de la
expresioacuten (12) En consecuencia el valor miacutenimo para h4x (la entalpiacutea a temperatura T4x) es h2 (la entalpiacutea a la
temperatura T2) Sin embargo los requisitos para la realizacioacuten praacutectica exigen una diferencia de temperatura de al
menos 20 grados con el fin de permitir un flujo de transferencia de calor aceptable Como consecuencia de esta
restriccioacuten un compromiso debe existir entre la diferencia de temperatura mencionada y el flujo de transferencia de
calor que sin duda influye en el tamantildeo de los intercambiadores de calor y especialmente en el tamantildeo del regenerador
de la planta
23- LA SELECCIOacuteN DEL FLUIDO DE TRABAJO APROPIADO Y DISPONIBLE
El criterio para la seleccioacuten del fluido de trabajo aplicable al ciclo Rankine propuesto obedece a las propiedades fiacutesicas
de condensacioacuten [24] El objetivo es que el fluido de trabajo elegido pueda ser condensado en condiciones cuasi-criacuteticas
y a temperatura ambiente con objeto de que pueda ser condensado con los medios de enfriamiento disponibles
Solamente unos cuantos fluidos cumplen tal propiedad y entre ellos solamente los mostrados en la Tabla 1 son aptos
para operar como fluidos de trabajo en condiciones transcriacuteticas a altas presiones y temperaturas en comparacioacuten con
los fluidos orgaacutenicos convencionales
Fluido de trabajo
p criacutetica pk (bar)
T critical Tk (K)
T miacutenima (K)
Punto ebullicioacuten (K)
T maacutexima (K) T ambient (K)
CO2 7377 30413 2166 19475 2000 290-310
Ethane 485 3053 9036 18457 675 290-310
Xenon 5842 28973 16141 165 750 285-310
Tabla 1 Caracteriacutesticas de los fluidos de trabajo que satisfacen la condenacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas a
temperatura ambiente
La Tabla 1 muestra que los tres fluidos seleccionados tienen en comuacuten la temperatura de condensacioacuten que estaacute en torno
a la temperatura ambiente y estaacute proacutexima a sus respectivas temperaturas criacuteticas
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 4 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo (orgaacutenico o no) que se pueda condensar a temperatura ambiente
como es el caso de dioacutexido de carbono en condiciones cuasi-criacuteticas
21- RECUPERACIOacuteN DE CALOR EVACUADO POR LA TURBINA DE BAJA PRESIOacuteN MEDIANTE REGENERACIOacuteN
Idealmente la evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas hacia el condensador implica
descargar el fluido de trabajo a una presioacuten ligeramente superior a su presioacuten criacutetica Sin embargo el caso real es que la
temperatura de escape de la turbina de baja presioacuten es superior debido a las peacuterdidas inherentes a la eficiencia
isentroacutepica y por consiguiente la cantidad de calor transferida con el fluido de trabajo al condensador debe ser
recuperada por medio de un intercambiador de calor o regenerador Tal cantidad de calor es recuperada por
regeneracioacuten retornando una parte importante del calor al fluido de trabajo despueacutes de la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como se muestra en la figura 1
Fig 1 Ciclo Rankine asociado con su diagrama T-s mostrando la estructura de la regeneracioacuten en modo de modo de
condensacioacuten cuasi-criacutetico
El esquema de este tipo de contribucioacuten se muestra en la figura 1 donde se recupera el calor rechazado por el fluido de
trabajo en el lado de escape de la turbina de baja opresioacuten (h4-h4x) por el fluido de trabajo en la descarga de la bomba de
alimentacioacuten como (h2X-h2)
Aunque la regeneracioacuten es un medio convencional para aumentar la eficiencia del ciclo Rankine en este caso la
regeneracioacuten se ubica despueacutes de la turbina de baja presioacuten y antes del condensador lo cual no es lo tiacutepico en ciclos
Rankine Esta contribucioacuten es relevante para mejora de la eficiencia cuando se asocia al hecho de aplicar condensacioacuten
en condiciones cuasi-criacuteticas con los fluidos de trabajo elegidos
22- MINIMIZACIOacuteN DEL CALOR LATENTE DE CONDENSACIOacuteN
En esta seccioacuten se describe el efecto del disentildeo del ciclo Rankine caracterizado por la fase de condensacioacuten de los
fluidos de trabajo a una temperatura y presioacuten aproximas al punto criacutetico Por lo tanto se toma en consideracioacuten la
siguiente proposicioacuten basada en conocimiento experimental o heuriacutestico El calor latente de condensacioacuten puede ser
reducido y en consecuencia el calor rechazado hacia el condensador al conseguir condiciones de condensacioacuten cuasi-
criacuteticas a temperatura ambiente para lo cual la presioacuten se aproximaraacute a la presioacuten criacutetica mientras que el temperatura
ambiente estaacute ligeramente por debajo de la temperatura criacutetica
Fuente de energiacutea
G
(2x)
(3b)
(4)
(1)
(4x)
(2)
(3) (3a)
regenerador
condensador
T
s
2
1
4
3
3a 3b
2x
4x
T4
T2x
T4x
T2
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 5 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
De acuerdo con la curva de saturacioacuten del fluido de trabajo considerado s se acerca al valor miacutenimo de TL TV TK
ya que para T = TK
= hV - hL = T(sV- sL) 0 (1)
La temperatura preferida para el cambio de fase es TK-ε denotado como temperatura cuasi-criacutetica donde ε es un
valor experimental positivo tal que 5 ltε lt8 (para el xenoacuten etano y dioacutexido de carbono) el cual depende de las
caracteriacutesticas del fluido de trabajo
En consecuencia para esta temperatura se deduce que a la presioacuten critica pK y su temperatura cuasi-criacutetica TK-ε el calor
latente de de condensacioacuten (TK-ε) se expresa como
))(())(()( ThfThfT VL (2)
Admitiendo un ciclo Rankine regenerativo dotado con la etapa de regeneracioacuten despueacutes del escape de la turbina de baja
presioacuten como se muestra en la Figura 1 (izquierda) el calor rechazado se denota como Qo = (h4x-h1) Por lo tanto la
cantidad de energiacutea perdida en el ciclo es el calor cedido al condensador maacutes el trabajo de la bomba (h2-h1) que se
define como
1241214 2)()( hhhhhhhQ xxLOST (3)
El objetivo de mejorar la eficiencia nos conduciraacute a la minimizacioacuten de la energiacutea perdida por el establecimiento de una
presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten tal que T1 = TK-ε
En la figura 1 (derecha) se muestra el diagrama T-s de un ciclo Rankine cuasi-criacutetico de dos unidades de turbina en el
que se muestran el estado de los puntos maacutes representativos del ciclo posteriormente considerados por medio de un
estudio del caso La eficiencia de ciclo Rankine de condensacioacuten cuasi-criacutetica se obtiene de la siguiente manera
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para una uacutenica unidad de turbina se define como
)( 231 xi hhQ (4)
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para dos unidades de turbina se define como
)()( 33232 abxi hhhhQ (5)
El flujo especiacutefico de calor rechazado por el ciclo Qo se define como
)( 14 hhQ xo (6)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo Rankine de turbina uacutenica unidad se define como
)()( 12431 hhhhWn (7)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo de Rankine dos unidades de turbina se define como
)()()( 1243332 hhhhhhW ban (8)
La eficiencia teacutermica del ciclo para una uacutenica turbina se define como
)(
)()(
23
1243
1
11
xi
n
hh
hhhh
Q
W
(9)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 6 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La eficiencia del ciclo teacutermico para dos turbinas se define como
)()(
)()()(
3323
124333
2
2
2
abx
ba
i
n
hhhh
hhhhhh
Q
W
(10)
Seguacuten el diagrama T-s mostrado en la figura 2 con el fin de satisfacer la primera y segunda ley de la termodinaacutemica se
deben cumplir las siguientes condiciones considerando las irreversibilidades insignificantes
Condiciones requeridas por el primer principio
)()( 2244 hhhh xx (11)
Condiciones requeridas por el segundo principio
24 TT x (12)
xTT 24 (13)
xTT 44 (14)
22 TT x (15)
En la buacutesqueda de la maacutexima eficiencia teacutermica alcanzable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
seguacuten las expresiones (9) y (10) la maacutexima eficiencia del ciclo teacutermico implica miacutenimo Qi lo que significa h2X maacuteximo
y miacutenimo h4x De acuerdo con la informacioacuten proporcionada por la figura 2 el ciclo debe satisfacer la condicioacuten de la
expresioacuten (12) En consecuencia el valor miacutenimo para h4x (la entalpiacutea a temperatura T4x) es h2 (la entalpiacutea a la
temperatura T2) Sin embargo los requisitos para la realizacioacuten praacutectica exigen una diferencia de temperatura de al
menos 20 grados con el fin de permitir un flujo de transferencia de calor aceptable Como consecuencia de esta
restriccioacuten un compromiso debe existir entre la diferencia de temperatura mencionada y el flujo de transferencia de
calor que sin duda influye en el tamantildeo de los intercambiadores de calor y especialmente en el tamantildeo del regenerador
de la planta
23- LA SELECCIOacuteN DEL FLUIDO DE TRABAJO APROPIADO Y DISPONIBLE
El criterio para la seleccioacuten del fluido de trabajo aplicable al ciclo Rankine propuesto obedece a las propiedades fiacutesicas
de condensacioacuten [24] El objetivo es que el fluido de trabajo elegido pueda ser condensado en condiciones cuasi-criacuteticas
y a temperatura ambiente con objeto de que pueda ser condensado con los medios de enfriamiento disponibles
Solamente unos cuantos fluidos cumplen tal propiedad y entre ellos solamente los mostrados en la Tabla 1 son aptos
para operar como fluidos de trabajo en condiciones transcriacuteticas a altas presiones y temperaturas en comparacioacuten con
los fluidos orgaacutenicos convencionales
Fluido de trabajo
p criacutetica pk (bar)
T critical Tk (K)
T miacutenima (K)
Punto ebullicioacuten (K)
T maacutexima (K) T ambient (K)
CO2 7377 30413 2166 19475 2000 290-310
Ethane 485 3053 9036 18457 675 290-310
Xenon 5842 28973 16141 165 750 285-310
Tabla 1 Caracteriacutesticas de los fluidos de trabajo que satisfacen la condenacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas a
temperatura ambiente
La Tabla 1 muestra que los tres fluidos seleccionados tienen en comuacuten la temperatura de condensacioacuten que estaacute en torno
a la temperatura ambiente y estaacute proacutexima a sus respectivas temperaturas criacuteticas
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 5 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
De acuerdo con la curva de saturacioacuten del fluido de trabajo considerado s se acerca al valor miacutenimo de TL TV TK
ya que para T = TK
= hV - hL = T(sV- sL) 0 (1)
La temperatura preferida para el cambio de fase es TK-ε denotado como temperatura cuasi-criacutetica donde ε es un
valor experimental positivo tal que 5 ltε lt8 (para el xenoacuten etano y dioacutexido de carbono) el cual depende de las
caracteriacutesticas del fluido de trabajo
En consecuencia para esta temperatura se deduce que a la presioacuten critica pK y su temperatura cuasi-criacutetica TK-ε el calor
latente de de condensacioacuten (TK-ε) se expresa como
))(())(()( ThfThfT VL (2)
Admitiendo un ciclo Rankine regenerativo dotado con la etapa de regeneracioacuten despueacutes del escape de la turbina de baja
presioacuten como se muestra en la Figura 1 (izquierda) el calor rechazado se denota como Qo = (h4x-h1) Por lo tanto la
cantidad de energiacutea perdida en el ciclo es el calor cedido al condensador maacutes el trabajo de la bomba (h2-h1) que se
define como
1241214 2)()( hhhhhhhQ xxLOST (3)
El objetivo de mejorar la eficiencia nos conduciraacute a la minimizacioacuten de la energiacutea perdida por el establecimiento de una
presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de baja presioacuten tal que T1 = TK-ε
En la figura 1 (derecha) se muestra el diagrama T-s de un ciclo Rankine cuasi-criacutetico de dos unidades de turbina en el
que se muestran el estado de los puntos maacutes representativos del ciclo posteriormente considerados por medio de un
estudio del caso La eficiencia de ciclo Rankine de condensacioacuten cuasi-criacutetica se obtiene de la siguiente manera
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para una uacutenica unidad de turbina se define como
)( 231 xi hhQ (4)
El flujo especiacutefico de calor suministrado al ciclo Qi para dos unidades de turbina se define como
)()( 33232 abxi hhhhQ (5)
El flujo especiacutefico de calor rechazado por el ciclo Qo se define como
)( 14 hhQ xo (6)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo Rankine de turbina uacutenica unidad se define como
)()( 12431 hhhhWn (7)
El trabajo neto especiacutefico para un ciclo de Rankine dos unidades de turbina se define como
)()()( 1243332 hhhhhhW ban (8)
La eficiencia teacutermica del ciclo para una uacutenica turbina se define como
)(
)()(
23
1243
1
11
xi
n
hh
hhhh
Q
W
(9)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 6 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La eficiencia del ciclo teacutermico para dos turbinas se define como
)()(
)()()(
3323
124333
2
2
2
abx
ba
i
n
hhhh
hhhhhh
Q
W
(10)
Seguacuten el diagrama T-s mostrado en la figura 2 con el fin de satisfacer la primera y segunda ley de la termodinaacutemica se
deben cumplir las siguientes condiciones considerando las irreversibilidades insignificantes
Condiciones requeridas por el primer principio
)()( 2244 hhhh xx (11)
Condiciones requeridas por el segundo principio
24 TT x (12)
xTT 24 (13)
xTT 44 (14)
22 TT x (15)
En la buacutesqueda de la maacutexima eficiencia teacutermica alcanzable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
seguacuten las expresiones (9) y (10) la maacutexima eficiencia del ciclo teacutermico implica miacutenimo Qi lo que significa h2X maacuteximo
y miacutenimo h4x De acuerdo con la informacioacuten proporcionada por la figura 2 el ciclo debe satisfacer la condicioacuten de la
expresioacuten (12) En consecuencia el valor miacutenimo para h4x (la entalpiacutea a temperatura T4x) es h2 (la entalpiacutea a la
temperatura T2) Sin embargo los requisitos para la realizacioacuten praacutectica exigen una diferencia de temperatura de al
menos 20 grados con el fin de permitir un flujo de transferencia de calor aceptable Como consecuencia de esta
restriccioacuten un compromiso debe existir entre la diferencia de temperatura mencionada y el flujo de transferencia de
calor que sin duda influye en el tamantildeo de los intercambiadores de calor y especialmente en el tamantildeo del regenerador
de la planta
23- LA SELECCIOacuteN DEL FLUIDO DE TRABAJO APROPIADO Y DISPONIBLE
El criterio para la seleccioacuten del fluido de trabajo aplicable al ciclo Rankine propuesto obedece a las propiedades fiacutesicas
de condensacioacuten [24] El objetivo es que el fluido de trabajo elegido pueda ser condensado en condiciones cuasi-criacuteticas
y a temperatura ambiente con objeto de que pueda ser condensado con los medios de enfriamiento disponibles
Solamente unos cuantos fluidos cumplen tal propiedad y entre ellos solamente los mostrados en la Tabla 1 son aptos
para operar como fluidos de trabajo en condiciones transcriacuteticas a altas presiones y temperaturas en comparacioacuten con
los fluidos orgaacutenicos convencionales
Fluido de trabajo
p criacutetica pk (bar)
T critical Tk (K)
T miacutenima (K)
Punto ebullicioacuten (K)
T maacutexima (K) T ambient (K)
CO2 7377 30413 2166 19475 2000 290-310
Ethane 485 3053 9036 18457 675 290-310
Xenon 5842 28973 16141 165 750 285-310
Tabla 1 Caracteriacutesticas de los fluidos de trabajo que satisfacen la condenacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas a
temperatura ambiente
La Tabla 1 muestra que los tres fluidos seleccionados tienen en comuacuten la temperatura de condensacioacuten que estaacute en torno
a la temperatura ambiente y estaacute proacutexima a sus respectivas temperaturas criacuteticas
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 6 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
La eficiencia del ciclo teacutermico para dos turbinas se define como
)()(
)()()(
3323
124333
2
2
2
abx
ba
i
n
hhhh
hhhhhh
Q
W
(10)
Seguacuten el diagrama T-s mostrado en la figura 2 con el fin de satisfacer la primera y segunda ley de la termodinaacutemica se
deben cumplir las siguientes condiciones considerando las irreversibilidades insignificantes
Condiciones requeridas por el primer principio
)()( 2244 hhhh xx (11)
Condiciones requeridas por el segundo principio
24 TT x (12)
xTT 24 (13)
xTT 44 (14)
22 TT x (15)
En la buacutesqueda de la maacutexima eficiencia teacutermica alcanzable se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
seguacuten las expresiones (9) y (10) la maacutexima eficiencia del ciclo teacutermico implica miacutenimo Qi lo que significa h2X maacuteximo
y miacutenimo h4x De acuerdo con la informacioacuten proporcionada por la figura 2 el ciclo debe satisfacer la condicioacuten de la
expresioacuten (12) En consecuencia el valor miacutenimo para h4x (la entalpiacutea a temperatura T4x) es h2 (la entalpiacutea a la
temperatura T2) Sin embargo los requisitos para la realizacioacuten praacutectica exigen una diferencia de temperatura de al
menos 20 grados con el fin de permitir un flujo de transferencia de calor aceptable Como consecuencia de esta
restriccioacuten un compromiso debe existir entre la diferencia de temperatura mencionada y el flujo de transferencia de
calor que sin duda influye en el tamantildeo de los intercambiadores de calor y especialmente en el tamantildeo del regenerador
de la planta
23- LA SELECCIOacuteN DEL FLUIDO DE TRABAJO APROPIADO Y DISPONIBLE
El criterio para la seleccioacuten del fluido de trabajo aplicable al ciclo Rankine propuesto obedece a las propiedades fiacutesicas
de condensacioacuten [24] El objetivo es que el fluido de trabajo elegido pueda ser condensado en condiciones cuasi-criacuteticas
y a temperatura ambiente con objeto de que pueda ser condensado con los medios de enfriamiento disponibles
Solamente unos cuantos fluidos cumplen tal propiedad y entre ellos solamente los mostrados en la Tabla 1 son aptos
para operar como fluidos de trabajo en condiciones transcriacuteticas a altas presiones y temperaturas en comparacioacuten con
los fluidos orgaacutenicos convencionales
Fluido de trabajo
p criacutetica pk (bar)
T critical Tk (K)
T miacutenima (K)
Punto ebullicioacuten (K)
T maacutexima (K) T ambient (K)
CO2 7377 30413 2166 19475 2000 290-310
Ethane 485 3053 9036 18457 675 290-310
Xenon 5842 28973 16141 165 750 285-310
Tabla 1 Caracteriacutesticas de los fluidos de trabajo que satisfacen la condenacioacuten en condiciones cuasi-criacuteticas a
temperatura ambiente
La Tabla 1 muestra que los tres fluidos seleccionados tienen en comuacuten la temperatura de condensacioacuten que estaacute en torno
a la temperatura ambiente y estaacute proacutexima a sus respectivas temperaturas criacuteticas
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 7 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
3 ESTUDIO DE UN CASO CICLO RANKINE DE SIMPLE Y DOBLE TURBINA BAJO CONDENSACIOacuteN EN CONDICIONES CUASI-CRIacuteTICAS CON DIOacuteXIDO DE CARBONO ETANO Y XENOacuteN
Sobre la base de las caracteriacutesticas cuasi-criacuteticas de condensacioacuten de la planta (presioacuten de evacuacioacuten de la turbina de
baja presioacuten proacutexima a la criacutetica que implica turbinas de muy bajo volumen) la estructura resultante es razonablemente
compacta (bajo volumen y peso lo que implica irreversibilidades bajas) En estas condiciones la eficiencia de la bomba
de alimentacioacuten se ha estimado en 08 la eficiencia isentroacutepica de las turbinas es de 09 y las irreversibilidades se
desprecian debido a su irrelevancia en la estructura compacta de tales plantas La base de datos utilizada en el modelado
del ciclo se menciona en [24] Esta publicacioacuten proporciona las propiedades fiacutesicas y termodinaacutemicas de los fluidos
estudiados disponiendo de software comercial (REFPROP) cuya biblioteca hace uso de las correlaciones de Helmholtz
para determinar las propiedades del fluido Esta herramienta se puede utilizar con FORTRAN C + + Delphi Visual
Basic Matlab LabView y coacutedigo Excel mediante archivos DLL En esta aplicacioacuten se vinculan aplicaciones de Excel a
funciones de propiedades de los fluidos considerados en REFPROP
Los fluidos de trabajo seleccionadas (dioacutexido de carbono xenoacuten y etano) se investigaron como los uacutenicos candidatos
aptos y disponibles para operar bajo condiciones cuasi-criacuteticas a temperatura ambiente Asiacute el primer fluido de trabajo
propuesto para el caso en estudio es el dioacutexido de carbono Se ha computado la eficiencia teacutermica y potencia especiacutefica
para varias temperaturas superiores (temperaturas de entrada a la turbina TIT) del ciclo Rankine (750 K 1000 K 1143
K y K 1300) Los estados destacables del ciclo se muestran en las Tablas 1 y 2 del apeacutendice 1 para los ciclos de una y
dos turbinas Los resultados del anaacutelisis de estos ciclos Rankine nos proporcionan los rendimientos teacutermicos y las
potencias especiacuteficas mostrados en la Tabla 2
TIT (K) 750 1000 1143 1300
1 () 3648 4698 5134 5529
2 () 454 5537 5942 6303
Wn1 (kWkg) 15277 2357 2806 32885
Wn2 (kWkg) 17385 25937 30608 35648
Tabla 2 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos en funcioacuten de TIT para el dioacutexido de carbono como
fluido de trabajo
El siguiente fluido de trabajo tomado en consideracioacuten es el xenoacuten el cual soporta una temperatura maacutexima proacutexima a
los 750 K para el ciclo Rankine de simple y doble turbina (Tablas 3-4 del apeacutendice 1) Finalmente se estudia el etano
como fluido de trabajo a su temperatura maacutexima admisible de 675 K (Tablas 5-6 del apeacutendice 1) En la Tabla 3 se
muestran la eficiencia teacutermica y potencias especiacuteficas para los ciclos estudiados con xenoacuten y etano como fluidos de
trabajo
Xenon Ethane
T1 (K) 282 300
TIT (K) 750 675
1 () 351 359
2 () 4211 3843
Wn1 (kWkg) 3556 21317
Wn2 (kWkg) 4995 23755
Tabla 3 Resumen de las eficiencias teacutermicas y trabajos especiacuteficos para el xenoacuten y etano como fluidos de trabajo
fluido TIT (K) T1 (K) c 1 c1 2 c2
C2H6 675 300 5555 359 646 3843 6917
Xe 750 282 624 351 5625 4211 6748
CO2 750 295 6066 3648 6013 454 7483
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 8 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
ldquo 1000 295 705 4698 6663 5537 7853
ldquo 1143 295 7419 5134 692 5942 801
ldquo 1300 295 773 5529 7151 6303 8153
Tabla 4 Resumen de las eficiencias teacutermicas para etano xenoacuten y dioacutexido de carbono
31- DISCUSIOacuteN Y ANAacuteLISIS DE RESULTADOS
Como se muestra en la Tabla 4 para el etano xenoacuten y dioacutexido de carbono como fluidos de trabajo las eficiencias
teacutermicas experimentan una fuerte dependencia de las temperaturas superiores TIT del ciclo puesto que la temperatura de
fondo del ciclo se determina por el entorno local asociada a la temperatura criacutetica de cada trabajo fluido
De acuerdo con los resultados mostrados en la Tabla 4 la comparacioacuten de la eficiencia teacutermica de los ciclos estudiados
operando con etano xenoacuten y dioacutexido de carbono en funcioacuten de las temperaturas del ciclo TIT significa que el uso de
doble turbina proporciona mayor eficiencia que el ciclo de turbina uacutenica para los casos considerados Teniendo en
cuenta que la temperatura superior del ciclo de etano y xenoacuten es maacutes bien limitada a un valor relativamente bajo (675 K
y 750 K) su utilidad queda reducida a los ciclos combinados Sin embargo auacuten a estas temperaturas el ciclo de dioacutexido
de carbono es maacutes eficiente que el xenoacuten o etano por lo que la utilizacioacuten de eacutestos frente al dioacutexido de carbono es
claramente descartable
En consecuencia a juzgar por los resultados mostrados en la tabla 4 los ciclos de Rankine maacutes eficientes corresponden
al dioacutexido de carbono que tiene bajo coste no es corrosivo a altas temperaturas y da lugar a plantas poco voluminosas
y consecuentemente maacutes compactas Por consiguiente la explotacioacuten de las centrales eleacutectricas con dioacutexido de carbono
como fluido de trabajo en virtud del ciclo Rankine tiene algunas ventajas sobre el etano y el xenoacuten Adicionalmente el
etano es un fluido explosivo en contacto con el aire y el xenoacuten resulta caro a escala industrial con el inconveniente
antildeadido de la accioacuten oxidante de sus compuestos al entrar en contacto con el oxiacutegeno Mayores temperaturas de
operacioacuten al utilizar dioacutexido de carbono nos permiten lograr mayores eficiencias y mayores potencias especiacuteficas Asiacute
para alcanzar eficiencias teacutermicas del 63 se requiere de una fuente de calor (basada en concentradores solares de torre
o concentrador paraboacutelico) para proporcionar temperaturas en torno a los 1300 K o alternativamente fuentes de energiacutea
de combustible foacutesil como el gas natural o la energiacutea nuclear proporcionada por reactores de cuarta generacioacuten Sin
embargo a temperaturas en torno a los 1143 K que son alcanzables en el estado actual de las tecnologiacuteas maacutes
avanzadas se obtiene auacuten el 60 de eficiencia teacutermica
4 CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados esperados la eficiencia teacutermica es incrementada fundamentalmente por la asociacioacuten de
varias mejoras teacutecnicas especiacuteficas del ciclo de Rankine de agua asiacute como del ciclo de Rankine orgaacutenico en
combinacioacuten con los fluidos orgaacutenicos de trabajo seleccionados Como resultado se tiene que la eficiencia del ciclo ha
mejorado debido a la contribucioacuten aportada por la asociacioacuten de las siguientes acciones
Regeneracioacuten inherente lo que significa evitar la disipacioacuten de energiacutea
Presioacuten de condensacioacuten cuasi-criacutetica a temperatura de condensacioacuten ambiente lo cual significa la miacutenima
cantidad posible de calor latente rechazo por el condensador
La seleccioacuten de un adecuado fluido de trabajo orgaacutenico o no capaz de ser condensado a temperatura ambiente
y presioacuten cuasi-criacutetica
Como se muestra en los resultados el rendimiento teacutermico es significativamente mayor en comparacioacuten con las mejoras
de ciclo Rankine convencionales
La aplicacioacuten de las teacutecnicas propuestas para incrementar la eficiencia teacutermica requiere el disentildeo de condensadores de
alta presioacuten y turbinas de contrapresioacuten
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 9 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Aparte del hecho de contribuir a la reduccioacuten del uso masivo de combustibles foacutesiles por la ganancia de eficiencia
teacutermica esta ventaja estaacute asociada a la reduccioacuten del calentamiento global asiacute como a atenuacioacuten de la destruccioacuten de
ozono Asimismo esta teacutecnica conlleva las ventajas siguientes
Reduccioacuten de peso planta Esto es debido a la menor disipacioacuten de calor y las presiones ultra-supercriacuteticas lo que
significa evitar infraestructuras de refrigeracioacuten con la reduccioacuten de los voluacutemenes de equipos de la planta y su peso
5 BIBLIOGRAFIacuteA
[1] Luby P ldquoSupercritical systems Recent trends in a market sector that has seen dramatic changes in the last ten yearsrdquo Modern Power Systems August 2007 Vol 23 issue 8 P 27-34
[2] Fernaacutendez FJ Prieto MM Suaacuterez I ldquoThermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluidsrdquo Original Research Article Energy August 2011 Vol 36 Issue 8 p 5239-5249 httpdxdoi101016jenergy201106028
[3] Lee K Kuo S Chien M Shih Y ldquoParameters analysis on organic Rankine cycle energy recovery systemrdquo Energy Conversion and Management February 1988 Vol 28 issue 2 p 129-136 httpdxdoiorg1010160196-8904(88)90038-6
[4] Gu Z Sato H ldquoOptimization of cyclic parameters of a supercritical cycle for geothermal power generationrdquo Energy Conversioacuten and Management December 2001 Vol 42 issue 12 p 1409-1416
[5] Noam L ldquoAdvanced Energy Conversion to Powerrdquo Energy Conversion and Management July-September 1997 Vol 38 issue (10-13) p 941-955
[6] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K et al ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue(17-18) P 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[7] Yamada N Hoshi A and Ikegami Y ldquoPerformance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plantrdquo Renewable Energy July 2009 Vol 34 issue 7 p 1752-1758 httpdxdoi101016jrenene200812028
[8] Wang XD Zhao L Wang JL et al ldquoPerformance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fardquo Solar Energy March 2010 Vol 84 issue 3 p 353-364 httpdxdoi101016jsolener200911004
[9] Tancret F Sourmail T Yescas MA et al ldquoDesign of a creep resistant nickel base superalloy for power plant applications Part 3-Experimental resultsrdquo Materials Science and Technology March 2003 Vol19 issue 3 p 296ndash302 httpdxdoiorg101179026708303225009805
[10] Zhaolin Gu Haruki Sato ldquoPerformance of supercritical cycles for geothermal binary designrdquo Energy Conversion and Management May 2002 Vol 43 issue 7 p 961-971
[11] Lior N Zhang N ldquoEnergy exergy and Second Law performance criteriardquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 281ndash296 httpdxdoi101016jenergy200601019
[12] Joslashrgen Bugge Sven Kjaeligr Rudolph Blum ldquoHigh-efficiency coal-fired power plants development and perspectivesrdquo Energy August 2006 Vol 31 issue (10-11) p 1437-1445 httpdxdoi101016jenergy200505025
[13] Noam Lior ldquoThoughts about future power generation systems and the role of exergy analysis in their developmentrdquo Energy Conversion and Management June-August 2002 Vol 43 issue (9-12) P 1187-1198
[14] Hung TC Shai TY Wang SK ldquoA review of organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heatrdquo Energy July 1997 Vol 22 issue 7 p 661-667
[15] Madhawa Hettiarachchi HD Mihajlo G William M Worek Yasuyuki I ldquoOptimum design criteria for an Organic Rankine cycle using low temperature geothermal heat sourcesrdquo Energy September 2007 Vol 32 issue 9 p 1698- 706 httpdxdoi101016jenergy200701005
[16] Wei D Lu X Lu Z Gu J ldquoPerformance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recoveryrdquo Energy Conversion and Management April 2007 Vol 48 issue 4 p 1113-1119 httpdxdoi101016jenconman200610020
[17] Schuster A Karellas S Aumann R ldquoEfficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cyclesrdquo Energy February 2010 Vol 35 issue 2 1033-1039 httpdxdoi101016jenergy200906019
[18] Chen Y Lundqvist P Platell P ldquoTheoretical research of carbon dioxide power cycle application in automobile industry to reduce vehiclersquos fuel consumptionrdquo Applied Thermal Engineering October 2005 Vol 25 issue (14-15) p 041-2053 httpdxdoi101016japplthermaleng200502001
[19] Ferreiro-Garcia R ldquoEfficiency enhancement of combined cycles by suitable working fluids and operating conditionsrdquo Applied Thermal Engineering September 2012 Vol 42 p 25-33
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 10 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
httpdxdoi101016japplthermaleng201202039 [20] Cayer E Galanis N Desilets M Nesreddine H Roy P ldquoAnalysis of a carbon dioxide transcritical power cycle using a low temperature
sourcerdquo Applied Energy July 2009 Vol 86 issue (7-8) p 1055-1063 httpdxdoi101016japenergy200809018
[21] Chacartegui R Saacutenchez D Muntildeoz J et al ldquoAlternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plantsrdquo Applied Energy October 2009 Vol 86 (10) p 2162-2170 httpdxdoi101016japenergy200902016
[22] Yamaguchi H Zhang XR Fujima K Enomoto M Sawada N ldquoA solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2rdquo Applied Thermal Engineering December 2006 Vol 26 issue (17-18) p 2345-2354 httpdxdoi101016japplthermaleng200602029
[23] Zhang XR Yamaguchi H Fujima K et al ldquoTheoretical analysis of a thermodynamic cycle for power and heat production using supercritical carbon dioxiderdquo Energy April 2007 Vol 32 issue 4 p 591-599 httpdxdoi101016jenergy200607016
[24] Gonzaacutelez-Romero E ldquoReactores de generacioacuten IV Camino a la sostenibilidad a largo plazo de la energiacutea nuclearrdquo DYNA Ingenieriacutea e Industria January 2012 Vol 1 issue 1 p[No Consta]
httpdxdoiorg106036ES1008 [25] DelaFuente-Rodriacuteguez JI ldquoGeneracioacuten de energiacutea ISCC Ciclo combinado hiacutebrido de Kuraymat August 2011 Vol 86 issue 4 p 391-
396
[26] Abanades-Velasco A Bernardos-Rodriacuteguez E Loacutepez-Paniagua I et al ldquoEnergiacutea solar termoeleacutectrica Tecnologiacutea y desarrollosrdquo
Octouber 2010 Vol 85 issue 7 p 563-574 DOI httpdxdoiorg1060363871
[27] Renedo-Esteacutebanez CJ Ortiz-Fernandez A Perez-Remesal SF et alldquoCogeneracioacuten mediante recuperacioacuten energeacutetica de calor de
gases de escaperdquo February 2011 Vol 86 p 105-117
httpdxdoiorg1060363866 [28] NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) Version 80 US Department of Commerce
Maryland (2007)
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 11 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
APEacuteNDICE I ESTADOS DE LOS CICLOS TERMODINAacuteMICOS DE LOS CASOS ESTUDIADOS
Tabla 1 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
4 5447 72568 25119 60
4a 368 52833 60
2x 448 51113 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
4 7553 96590 28841 60
4a 368 52833 60
2x 68547 75135 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
4 87441 110829 30591 60
4a 368 52833 60
2x 68547 89374 400
1300 K
1 295 26238 121 60
2 338 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
4 10046 126845 323 60
4a 368 52833 60
2x 8463 105390 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 12 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 2 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K 1000 K 1143 K y 1300 K operando con
dioacutexido de carbono
CO2 T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 750 K
1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 750 92984 24694 400
3a 643 81957 24886 160
3b 750 94869 26743 160
4 641 83371 36944 60
4x 325 47144 60
2x 558 67605 400
1000 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1000 1253 28411 400
3a 7831 109973 28607 160
3b 1000 12587 30307 160
4 8686 110120 3051 60
4x 325 47144 60
2x 7606 94354 400
1143 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1143 14403 30162 400
3a 10041 126390 30359 160
3b 1143 14416 32016 160
4 99815 126052 32219 60
4x 325 47144 60
2x 8842 110286 400
1300 K 1 295 26238 121 60
2 331 31378 12407 400
3 1300 16487 3187 400
3a 11475 144737 32067 160
3b 1300 16463 33694 160
4 11222 143975 33694 60
4x 325 47144 60
2x 10223 128209 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
El efecto positivo de las condiciones de condensacioacuten cuasi-criacuteticas aplicadas a ciclos Rankine
EFICIENCIA ENERGEacuteTICA
R Ferreiro-Garcia J Romero-Goacutemez M Romero-Goacutemez y A DeMiguel-Catoira
Pag 13 13
Publicaciones DYNA SL c) Mazarredo nordm69 -3ordm 48009-BILBAO (SPAIN)
Tel +34 944 237 566 ndash wwwdyna-energiacom - email infodyna-energiacom
Tabla 3 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5144 021845 50
2 361 7427 022412 400
3 750 1743 042303 400
4 3666 11591 044102 50
4a 3666 11718 50
2x 361 7172 400
Tabla 4 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 750 K operando con xenoacuten
Xenon T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 282 5133 021845 50
2 3611 7428 021845 400
3 750 1743 042303 400
3a 5427 14252 042929 170
3b 750 18114 048794 170
4 485 14002 049738 50
4x 380 120 50
2x 405 86 400
Tabla 5 Estados de un ciclo Rankine de una turbina para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 1521 3574 400
4 5437 119008 3641 45
4a 370 7404 1544 45
2x 492 9005 25 400
Tabla 6 Estados de un ciclo Rankine de dos turbinas para TIT = 675 K operando con etano
Ethane T(K) h(kJkg) s(kJkg-K) p(bar) 1 300 3598 14334 45
2 350 47755 14636 400
3 675 15208 35735 400
3a 604 133551 3607 130
3b 675 1572 3971 130
4 6136 140198 4 45
4x 370 7404 45
2x 561 1126 400
