UNIVERSIDAD AUTONOMA DELESTADO DE MORELOS

Centro de Investigacion en Ingenierıa yCiencias Aplicadas

Protocolo de investigacion

Doctorado en Ingenierıa y Ciencias Aplicadas

Diseno de microturbina paraaprovechamiento de fuente de

energıa de baja entalpıa

Alumno:Caldino HerreraUzziel

Asesor:Dr. Garcıa Castrejon

Juan Carlos

Coasesor:Dr. Sierra Espinoza

Fernando Z.

12 de febrero de 2015

Indice general

Introduccion 1Fluidos organicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Ciclo Rankine Organico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Ciclo Rankine Supercrıtico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Microturbina para ciclo Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Estado del arte 5

Objetivos 7Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Objetivos particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Alcances 8

Justificacion 9

Resultados esperados 10

Metodologıa 11

Cronograma de actividades 12

I

Introduccion

La generacion de energıa es uno de los principales ejes que permiten el desa-rrollo de la sociedad actual. La energıa es necesaria para el desarrollo industrial,el transporte, la produccion de alimentos y hasta el desarrollo social. Es por estoque se dedica un especial interes al desarrollo de tecnologıas que permitan apro-vechar de mejor manera el recurso energetico, que esta basado principalmenteen hidrocarburos.

Una alternativa es la utilizacion de calor residual de ciclos termodinamicosconvencionales o bien alguna fuente alternativa (como lo es la energıa geotermi-ca) que proporcione un fluido a temperaturas bajas tal que no es posible apro-vecharla en ciclos convencionales. El Ciclo Rankine Organico (ORC) y el CicloRankine Supercrıtico a traves de un fluido organico con propiedades de satu-racion inferiores a las del agua, permiten el aprovechamiento de este tipo defuentes de energıa de baja temperatura.

Debido a que la principal manera de generar energıa electrica es a traves demaquinas rotatorias, en especial turbinas, se tiene un gran desarrollo para condi-ciones tradicionales de Ciclo Rankine para turbina de vapor, o ciclos de turbinade gas. Sin embargo, para condiciones de fuentes termicas de baja entalpıa noexiste mucha informacion disponible en torno al diseno de componentes o alanalisis de estos dispositivos.

Fluidos organicos

El fluido de trabajo organico no solo debe tener propiedades termodinamicasy fısicas necesarias para la aplicacion dentro del ciclo, tambien debe contar conla estabilidad quımica adecuada en el intervalo de temperatura deseado.

La seleccion del fluido de trabajo es de suma importancia, ya que este afectadirectamente la eficiencia del sistema, las condiciones de funcionamiento, el im-pacto ambiental y los costos. De acuerdo al comportamiento con respecto a lasvariables termodinamicas, existen tres maneras de clasificar los fluidos organi-cos; mojados, secos e isentropicos. Esta clasificacion es a partir de la pendientede la curva de saturacion en vapor que presenta el fluido en un diagrama T-s(dTds ). Ya que para un fluido isentropico la pendiente de esta curva tiende a in-

finito, se toma el inverso del valor de la pendiente (ξ = dsdT ). La clasificacion de

fluidos se muestra en la Tabla 1 y en la Fig. 1

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Ciclo Rankine Organico 2

Tabla 1: Clasificacion de los fluidos organicos

Clasificacion Pendiente saturacionMojado ξ < 0

Seco ξ > 0Isentropico ξ ≈ 0

Figura 1: Diagrama T-s de los tres tipos de fluidos organicos

Ciclo Rankine Organico

Este ciclo es similar al ciclo Rankine convencional, la diferencia son los rangosde operacion debido a las propiedades del fluido de trabajo. Los dispositivosutilizados en este ciclo son:

Turbina

Condensador

Bomba

Caldera o evaporador

Sobrecalentador

En la Figura 2b se puede observar el diagrama T-s del ciclo Rankine Organi-co. Para este ciclo es preferible utilizar fluidos organicos secos o isentropicos, deesta manera se evitan entrar a la zona de mezcla lıquido-vapor cuando el fluidose expanda en la turbina y de esta manera no hay gotas que golpeen los alabes dela turbina durante la expansion. Sin embargo, si el fluido es “muy seco”, cuando

Uzziel Caldino Herrera

Ciclo Rankine Supercrıtico 3

se expansione en la turbina quedara aun con energıa de sobrecalentamiento, loque representa perdidas, ademas de que aumenta la carga de refrigeracion en elcondensador. Sin embargo se puede utilizar este calor residual para pre-calentarel fluido de trabajo a la salida de la bomba de alimentacion y de esta maneraaumentar la eficiencia.

Figura 2: Diagrama esquematico y T − s del Ciclo Rankine Organico

Ciclo Rankine Supercrıtico

Es posible trabajar con fluidos de trabajo con bajas presiones y temperaturascrıticas, de esta manera, al operar un ciclo en la region supercrıtica se obtienenmayores beneficios de la fuente termica con la que se este trabajando.

El proceso de calentamiento de un ciclo de Rankine Supercrıtico no pasa atraves de una region de bifasica como un Ciclo de Rankine Organico, lo queresulta en un mejor aprovechamiento termico en la caldera reflejado en menoresirreversibilidades. En la Fig. 3 se muestra el diagrama esquematico yel diagramaT-s de un Ciclo Rankine Supercrıtico utilizando CO2 como fluido de trabajo.

Microturbina para ciclo Rankine

Al analizar los ciclos mencionados anteriormente, resulta evidente que loscomponentes que integran el ciclo termodinamico no pueden ser los mismos quelos de un ciclo Rankine convencional debido a que las condiciones de operacionson completamente diferentes.

La turbina es el componente donde se expande el fluido de trabajo y del cualse extrae la potencia mecanica. Para ciclos que trabajen con fluidos organicosde baja entalpıa, estos dispositivos deben contar con el diseno adecuado, a finde hacerlos funcionales y eficientes.

Las turbinas disenadas para funcionar en un Ciclo Rankine Organico puedenser radiales, axiales o de flujo mixto. Por lo general son solamente de una solaetapa

Uzziel Caldino Herrera

Microturbina para ciclo Rankine 4

Figura 3: Diagrama esquematico y T − s del Ciclo Rankine Supercrıtico

El diseno de turbinas involucra muchas disciplinas de la ingenierıa, por ejem-plo, materiales, dinamica de fluidos, vibraciones mecanicas, termodinamica, ins-trumentacion, electronica, entre otras.

Uzziel Caldino Herrera

Estado del arte

Los avances en investigacion referentes al tema de Ciclo Rankine Organicopara fuentes termicas de baja entalpıa se han llevado en diversos trabajos, lasdos principales lıneas de investigacion son:

Seleccion del fluido de trabajo

Analisis del ciclo termodinamico utilizando distintos intercambiadores decalor

En cuanto a la seleccion de fluidos de trabajo existen trabajos que estudianlos siguientes bloques de fluidos organicos de acuerdo a su comportamientotermodinamico [1]:

Amoniaco, benceno y tolueno

R-170, R-744, R-41, R-23, R-116, R-32, R-125 y R-143a

Propino, HC-270, R-152a, R-22 y R-1270

R-21, R-142b, R-134a, R-290, R-141b, R-123, R-245ca, R-245fa, R-236ea,R-124, R-227ea, R-218

R-601, R-600, R-600a, FC-4-1-12, R-C318, R-3-1-10

En este trabajo se discute la influencia de la pendiente en la linea de satu-racion de vapor del fluido de trabajo, se muestra como para fluidos mojados esnecesaria la presencia de un sobrecalentador, el cual suele ser un intercambia-dor de tubos y coraza. Para fluidos secos esto no solo es innecesario sino que lapresencia de sobrecalentador disminuye la eficiencia teorica del ciclo.

En el trabajo de Amlaku[3] se presenta un analisis para una menor cantidadde fluidos de trabajo organicos. Aquı se concluye que las condiciones del ciclopermiten que cierto fluido de trabajo conlleve a mayores eficiencias o potencia desalida en la turbina o expansor. Se considero principalmente el intercambiadorde calor y la turbina.

En cuanto al diseno de turbinas para fuentes de baja entalpıa existen pocostrabajos publicados[2][4][5], sin embargo se proponen por lo general turbinas deflujo radial o mixto de una sola etapa, las cuales funcionan a operan a diferentes

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Estado del arte 6

velocidades dependiendo de la potencia deseada a la salida del dispositivo. Sellevan a cabo analisis de la dinamica del flujo en los alabes disenados, y sereporta como la seleccion del fluido de trabajo afecta directamente tanto a laeficiencia de la turbina, como a la potencia de salida.

Uzziel Caldino Herrera

Objetivos

El trabajo propuesto como tema doctoral es el diseno de una turbina quefuncione bajo condiciones de baja entalpıa y de la cual se pueda extraer potencianeta de salida. Para lograr esto se propone un objetivo general y cinco objetivosparticulares, los cuales se enuncian a continuacion.

Objetivo general

Disenar una turbina que opere bajo las condiciones energeticas proporcio-nadas por una fuente de baja entalpıa en un Ciclo Rankine Organico a fin deextraer 20 kW de potencia en el eje de la turbina.

Objetivos particulares

Definir el fluido organico de trabajo para el ciclo

Realizar el analisis termodinamico del ciclo a fin de conocer los parametrosde entrada y salida en la turbina a disenar.

Definir la geometrıa de la turbina de tal forma que cumpla con las condi-ciones establecidas previamente.

Calcular numericamente la dinamica del flujo durante la operacion de laturbina para ası aprobar o desechar la geometrıa y dimensiones propuestas.

Realizar el diseno mecanico para el ensamble de la turbina.

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Alcances

Al termino de la investigacion se pretende tener el diseno de una turbina queopere bajo las condiciones permitidas por una fuente energetica de baja entalpıa.El diseno se realizara desde el punto de vista mecanico (incluyendo la ingenierıade detalle) y de termofluidos, este diseno incluira los efectos de la dinamica defluidos tales como turbulencia, circulacion y vorticidad. La validacion del disenode la turbina se llevara a cabo usando similaridad cinematica utilizando modelosde laboratorio en un tunel de viento.

Tambien se busca conocer las condiciones optimas del ciclo, a fin de extraerla mayor potencia util de la fuente de baja entalpıa en la turbina disenada.

La literatura reporta muy pocos caso de disenos para este tipo de dispositi-vos, por lo tanto, otro de los alcances es aportar conocimiento sobre este tema,tanto en el analisis del ciclo ORC y en el tema de diseno de la turbina, a nivel decomponentes, ensamble de la misma y desde el punto de vista de termofluidos.

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Justificacion

Al existir distintas fuentes termicas de baja entalpıa surge el interes de apro-vecharlas, esto debido a la demanda energetica tanto de zonas industriales, comode regiones aisladas en donde asentamientos humanos la necesitan para subsistir.

Los ciclos Rankine con fluidos de trabajo organicos permiten convertir energıatermica de baja entalpıa en trabajo mecanico y con ayuda de un generador, aenergıa electrica. Existen distintas fuentes termicas de baja entalpıa que puedenser utilizadas para este proposito como son:

Calor residual de procesos

Energıa geotermica

Energıa fototermica

Las cuales, a traves de intercambiadores de calor pueden ceder su energıatermica a un fluido organico para que este realice el ciclo descrito anteriormente.Sin embargo, las condiciones de operacion de la turbina seran muy diferentesa las condiciones de un ciclo Rankine convencional, lo que implica analisis ydisenos diferentes para este dispositivo.

La existencia de estas fuentes de energıa, ası como el requerimiento energeti-co, la necesidad de un mayor aprovechamiento de la energıa y la importanciadel cuidado del ambiente son algunas de las razones principales que motivan aldesarrollo de tecnologıas descritas anteriormente.

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Resultados esperados

A continuacion se muestran los resultados a los que se espera llegar con estainvestigacion

Definir un fluido de trabajo para operar en el ciclo termodinamico

Definir los parametros de operacion del ciclo en cada uno de sus estados

Disenar la turbina a partir de los datos obtenidos en el analisis del ciclotermodinamico

Analizar numericamente el comportamiento de la turbina bajo las condi-ciones de diseno establecidas

Presentar una metodologıa para el diseno de turbinas para fuentes termi-cas de baja entalpıa

Cabe mencionar, que se aportaran conocimientos del fluido de trabajo y suinteraccion dinamica con la microturbina disenada.

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Metodologıa

Para lograr alcanzar los objetivos planteados, se propone la siguiente meto-dologıa

1. Revision bibliografica sobre ciclos termodinamicos que funcionen con fuen-tes termicas de baja entalpıa

2. Revision bibliografica sobre diseno de turbinas para fuentes termicas debaja entalpıa

3. Realizar el diseno termodinamico del ciclo de trabajo

a) Definir el fluido de trabajo a partir de las condiciones de operacionde un ciclo para aplicaciones geotermicas presentes en Mexico

b) Analisis del ciclo termodinamico por primera y segunda ley

c) Analisis de resultados termodinamico

d) Definir variables termodinamicas de entrada y salida en cada dispo-sitivo que conformara el ciclo, con especial enfasis en la turbina

4. Realizar el diseno de la turbina

a) Llevar a cabo el diseno analıtico como primera aproximacion (0-D)de la turbina a partir de los resultados del analisis termodinamico.Esto para definir geometrıas y dimensiones.

b) Efectuar el analisis numerico de la dinamica del flujo a traves de laturbina propuesta

c) Elaborar el diseno detallado a partir de los resultados obtenidos delanalisis numerico

d) Elaborar el diseno de elementos mecanicos para acoplar la turbina alciclo de forma funcional

e) Realizar en ensamble y verificar en un software CAE la viabilidadtermomecanica del ensamble

f ) Elaborar planos para la posible fabricacion de la turbina (la manu-factura esta sujeta a la disponibilidad de recursos)

Siendo que cada uno de los enunciados anteriores involucra tiempos de desa-rrollo distintos.

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Cronograma de actividades

La Tabla 2 muestra el cronograma de actividades propuesto dividido enperiodos semestrales:

Tabla 2: Cronograma de actividadesActividad 1 2 3 4 5 6 7

Cursar y aprobar materiasRevision bibliografica sobre turbomaquinariaRevision bibliografica sobre ciclos termodinamicosque funcionen con fuentes termicas de bajaentalpıaRevision bibliografica sobre el diseno de turbinaspara fuentes termicas de baja entalpıaDefinir el fluido de trabajoAnalisis del ciclo termodinamico por primeray segunda leyDiseno analıtico de la turbinaModelado de la geometrıa para el analisisAnalisis numerico de la dinamica del flujoRediseno de la turbina con base en losresultados del analisisDiseno mecanico y ensambleEstancia de investigacionAnalisis de resultadosExamen de inglesRedaccion de artıculo cientıficoRedaccion de la tesis

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Bibliografıa

[1] Huijuan Chen, D. Yogi Goswami, Elias K. Stefanakos, A review ofthermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-gradeheat, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 3059–3067.

[2] Daniele Fiaschi, Giampaolo Manfrida, Francesco Maraschiello,Thermo-fluid dynamics preliminary design of turbo-expanders for ORC cy-cles, Applied Energy 97 (2012) 601–608

[3] Amlaku Abie Lakew, Olav Bolland, Working fluids for low-temperature heat source, Applied Thermal Engineering 30 (2010) 1262–1268

[4] Daniele Fiaschi, Giampaolo Manfrida, Francesco Maraschiello,Design and performance prediction of radial ORC turboexpanders, AppliedEnergy 138 (2015) 517–532

[5] Emilie Sauret, Yuantong Gu, Three-dimensional off-design numericalanalysis of an organic Rankine cycle radial-inflow turbine, Applied Energy135 (2014) 202–211

[6] Hernandez Garcıa Jonathan, Simulacion numerica del flujo en el rotorde una microturbina de vapor que se acoplara a un ciclo de generaciongeotermoelectrica, Tesis de maestrıa, UNAM, 2015.

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