Ingeniería Mecánica · 2019
Diseño y modelamiento de un ciclo rankine organico (orc) de 100 kw de potencia para encontrar las condiciones optimas de operacion con diferentes refrigerantes utilizando el software ees (engineering equation solver)
El constante crecimiento de la demanda de energía eléctrica y alto costo de generación han creado un deber de búsqueda en alternativas para la creación de energía amigables con el ambiente, sostenibles y a un costo justo. Es por esta razón que la recuperación de calor de fuentes de baja entalpia mediante un ciclo Rankine orgánico (ORC) es una de las tecnologías más atractivas en cuanto al aspecto económico como ambiental. En el presente proyecto se diseña y modela una planta ORC de 100KW netos de potencia estandarizándolo con el refrigerante R134a mediante el software Engineering Equation Solver (EES), simulando por medio del software anteriormente mencionado diferentes refrigerantes en la planta ya diseñada. En diseño de la planta se propusieron dos tipos de ciclos sugeridos por la literatura, el primero ORC básico compuesto por (Bomba, turbina, condensador y evaporador) y el segundo el ORC con IHX compuesto por (Bomba, turbina, condensador, evaporador y un intercambiador de calor interno), la selección del mejor ciclo se determinó en base de la eficiencia térmica y el costo. La selección de los fluidos se dio a través de la librería del software EES, teniendo en cuenta las precauciones de operación en la planta y cumpliendo la norma ambiental estos son: R423a, R227ea y R245fa. En los resultados de entregados por la simulación ninguno de los refrigerantes es compatible completamente con todos los componentes de la planta, encontrando que es necesario hacer cambios importantes como sustitución de algún componente como evaporador, condensador o bomba en el diseño principal de la planta. *
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Contenido
- Introducciónp. 17
- 1. Objetivosp. 19
- 1.1 Objetivo Generalp. 19
- 1.2 Objetivos Específicosp. 19
- 2. Antecedentes Investigativosp. 20
- 3. Marco Teóricop. 21
- 3.1 Ciclo de Vapor de Carnotp. 21
- 3.1.1 Descripción del Proceso:p. 23
- 3.2 Ciclo Rankinep. 23
- 3.2.1 Descripción del Proceso:p. 23
- 3.3 Ciclo Rankine Orgánicop. 25
- 3.3.1 Fuentes de abastecimiento para el ORCp. 26
- 3.4 Ciclo Rankine Orgánico con Internal Heat Exchanger (IHX)p. 27
- 3.4.1 Descripción del Proceso:p. 23
- 3.5. Fluidos de Trabajop. 29
- 3.5.1 Impacto Ambientalp. 31
- 3.5.2 Seguridad en la Aplicaciónp. 31
- 3.6 Aplicaciones del ORCp. 32
- 3.6.1 Plantas de Biomasap. 32
- 4. Metodologíap. 33
- 4.1 Dimensionamiento del ORC básico:p. 34
- 4.1.1 Consideracionesp. 36
- 4.1.2 Análisis de cada componentep. 36
- 4.1.2.1 Expansorp. 36
- 4.1.2.2 Condensadorp. 69
- 4.1.2.3 Bombap. 81
- 4.1.2.4 Evaporadorp. 69
- 4.2 Dimensionamiento del ORC con Internal Heat Exchanger (IHX)p. 49
- 4.2.1 Consideracionesp. 36
- 4.2.2 Análisis de los Componentes IHXp. 51
- 4.2.2.1 Intercambiador IHXp. 51
- 4.3 Desestimación del ciclo básico con IHXp. 53
- 4.4 Selecciones de Fluidos de Trabajop. 53
- 4.4.1 Criterios para tener en cuenta:p. 53
- 4.4.2 Fluidos Tomados de la librería de EESp. 54
- 4.5 Simulación con Diferentes Refrigerantesp. 55
- 4.6 Perdidas de presión debido a la carga por fricción:p. 56
- 4.6.1 En Intercambiadoresp. 56
- 4.6.2 En tuberíasp. 58
- 5. Costos Total de Plantap. 60
- 5.1 Inversión Totalp. 61
- 5.1.1 Inversión Fijap. 61
- 5.1.1.1 Cálculo de Costos por componentes del ciclop. 61
- 5.1.1.1.1 Intercambiadores de Calorp. 62
- 5.1.1.1.2 Sistema de impulsiónp. 63
- 5.1.1.1.3 Turbinap. 82
- 5.1.1.1.4 Estimación total de costo de equiposp. 63
- 5.2 Operación y Mantenimientop. 64
- 5.2.1 Mano de Obra Directap. 65
- 5.2.1.1 Método De Ulrichp. 65
- 6. Análisis de resultadosp. 68
- 5.2 Resultados de pérdidas por fricciónp. 68
- 5.2.1 Pérdidas de presión por fricción en intercambiadoresp. 68
- 5.2.2 Pérdidas de presión por fricción en tuberíasp. 69
- 5.2.3 Comparación entre los modelos de diseño con y sin pérdidasp. 69
- 5.3 Resultados de modelamiento en el punto de diseñop. 71
- 5.3.1 Ciclo ORC Básicop. 71
- 5.3.2 Ciclo ORC con IHXp. 73
- 5.3.3 Comparación entre los modelos de diseño planteadosp. 74
- 5.4 Resultados de los fluidos según los criterios propuestosp. 76
- 5.5 Resultados con los diferentes refrigerantesp. 76
- 5.5.1 Simulación R-227eap. 77
- 5.5.2 Simulación con R-245fap. 78
- 5.5.3 Simulación con R-423ªp. 79
- 5.5.4 Comparación entre modelo de diseño Vs los refrigerantes propuestosp. 80
- 5.6 Resultados de Costos Total de plantap. 82
- 5.6.1 Inversión Fijap. 61
- 5.6.1.1 Estimación de Costos por Equipop. 82
- 5.6.2 Operación y Mantenimientop. 64
- 5.6.3 Recuperación de inversiónp. 84
- 6. Conclusionesp. 85
- 7.Recomendacionesp. 87
- Referencias Bibliográficasp. 88
- Apéndicesp. 91
- Tabla 1. Clasificación de Seguridad de los Refrigerantesp. 31
- Tabla 2. Parámetros de entrada en el ORC Básicop. 36
- Tabla 3. Constantes de ondulación a y b para un intercambiador de placap. 45
- Tabla 4. Parámetros de entrada propuestas para ambos ciclos Básico e IHXp. 50
- Tabla 5. Refrigerantes en la librería de EESp. 54
- Tabla 6. Longitud de tuberías utilizadas en el ciclo ORCp. 59
- Tabla 7. Capital total de inversiónp. 64
- Tabla 8. Costos de Operación y manteniemientop. 65
- Tabla 9. Factor de números por turnos de operaciónp. 66
- Tabla 10. Salario de Operadoresp. 67
- Tabla 11. Pérdidas de presión por fricción en intercambiadores de calorp. 69
- Tabla 12. Pérdidas de presión por fricción en las tuberíasp. 69
- Tabla 13. Resultados ORC Básico vs ORC Básico con pérdidas por fricciónp. 70
- Tabla 14. Resultados de los cálculos en el ORC básicop. 72
- Tabla 15. Resultados de los cálculos en el ORC con IHXp. 74
- Tabla 16. Comparación de resultados entre ORC Básico e IHXp. 75
- Tabla 17. Refrigerantes seleccionadosp. 76
- Tabla 18. Resultados de simulación con el refrigerante R-227eap. 77
- Tabla 19. Resultados de simulación con el refrigerante R-245fap. 78
- Tabla 20. Resultados de simulación con el refrigerante R-423ªp. 79
- Tabla 21. Comparación de resultados ORC Básico vs refrigerantes simuladosp. 81
- Tabla 22. Estimación de Costos por Equipop. 82
- Tabla 23. Resultados de Capital total de inversiónp. 83
- Tabla 24. Costos de Mano de Obrap. 84
- Tabla 25. Costos por año de operación y mantenimiento restantep. 84
- Tabla 26. Recuperación de Inversiónp. 84
- Figura 2. Representación gráfica del ciclo Rankine junto a su diagrama T-Sp. 24
- Figura 3. Representación gráfica del ciclo Rankine con IHX junto a su diagrama T-Sp. 27
- Figura 4. Línea de tiempo de fluidos en ORCp. 30
- temperatura-potencia plano de salidap. 32
- Figura 6. Comparación entre Ciclo ORC con IHX y ORC básicop. 34
- Figura 7. Ciclo Rankine Orgánico (ORC) en condiciones de parámetros de entradap. 35
- Figura 8. Representación de la Turbina en el ciclop. 37
- Figura 9. Condensador y grafica de enfriamiento del Refrigerantep. 39
- Figura 10. Bomba Principal en el ORCp. 46
- Figura 11. Evaporador y grafica de Calentamiento del Refrigerantep. 48
- Figura 12. ORC con IHX en condiciones de parámetros de entradap. 51
- Figura 13. Intercambiador IHXp. 51
- Figura 14. Estructura para el análisis económicop. 60
- Figura 15. Resultados de los cálculos en el ORC básicop. 71
- Apéndice 1: Factores que varían según la presión de entrada a la turbina para el ORCp. 91
- Apéndice 2: Eficiencia térmica del sistema vs P1p. 92
- Apéndice 3: Temperatura en la entrada de agua en el condensador (T7) vs P1p. 93
- MPa]p. 94
- Apéndice 5: T7 vs Rp (Temperatura 7 vs Relación de presión en la turbina)p. 95
- Apéndice 6: Código completo Ciclo Rankine Orgánico Básico (ORC)p. 96
- Apéndice 7: Código para cálculo del intercambiador de calor en el condensadorp. 98
- Apéndice 8: Código para cálculo del intercambiador de calor en la calderap. 100
- Apéndice 9: Tabla de iteración del UA del intercambiador de calor interno IHXp. 102
- ORC con IHXp. 103
- (ORC con IHX)p. 104
- Apéndice 12: Fluidos tomados de la librería EES con las propiedades termo físicasp. 106
- Apéndice 13: Código ORC Básico con R-227eap. 110
- Apéndice 15: Código Condensador para R-227eap. 114
- Apéndice 16: Código Ciclo Rankine Orgánico Básico con R245fap. 116
- 245fap. 119
- Apéndice 18: Código para el condensador con R-245fap. 120
- Apéndice 19: Código para el condensador con R-245fap. 122
- Apéndice 20: Código ORC básico con R-423ap. 123
- 423ap. 126
- Apéndice 22: Código del condensador con R-423ap. 127
- Apéndice 23:Código intercambiador de calor en la caldera para el R-423ap. 129
- Apéndice 25: Cálculo de pérdidas de presión debido a la carga por fricción en las tuberíasp. 133
- Apéndice 27: Resultados de pérdidas por fricción en intercambiadores en el software EESp. 138
- Apéndice 28: Resultados de pérdidas por fricción en tuberías en el software EESp. 139
- Apéndice 29: Resultados generales ORC básico sin considerar las pérdidas, para R134Ap. 140
- Apéndice 30: Resultados generales ORC básico considerando las pérdidas para R134Ap. 141
- Apéndice 31: Resultados generales ORC con IHX. Para R134Ap. 142
- Apéndice 32: Resultados generales en el condensador para el R134Ap. 143
- Apéndice 33: Resultados generales en el evaporador para el R134Ap. 144
- Apéndice 34: Resultados generales para el ORC básico con R-227eap. 145
- Apéndice 35: Resultados generales para el condensador con R-227eap. 146
- Apéndice 36: Resultados generales para el ORC básico con R-245fap. 147
- Apéndice 37 Resultados generales para el condensador con R-245fap. 148
- Apéndice 38 Resultados generales para el evaporador con R-245fap. 149
- Apéndice 39: Resultados generales en el ORC para el R-423ap. 150
- Apéndice 40: Resultados generales condensador para el R-423ap. 151
- Apéndice 41: Resultados generales en el evaporador para el R-423ap. 152
- Apéndice 42: Código EES para los costos de equiposp. 153
- Apéndice 43 Planos de la planta :p. 154
- Apéndice 44: Catálogos de los componentes de la plantap. 157
- Apéndice 45: Índices de Marshall and Swiftp. 170