Publicado

2014-11-01

Selecting working fluids in an organic Rankine cycle for power generation from low temperature heat sources

Seleccionando fluidos de trabajo en ciclos Rankine para generación de energía a partir de fuentes de calor de baja temperatura

DOI:

https://doi.org/10.15446/dyna.v81n188.41666

Palabras clave:

energy efficiency, organic Rankine cycle, power generation, waste heat, renewable energy (en)
eficiencia energética, ciclo Rankine orgánico, generación de energía, calor residual, energías renovables (es)

Descargas

Autores/as

This paper presents a thermodynamic study carried out on the use of low-temperature heat sources for power generation through a subcritical Rankine cycle with organic working fluids. An analysis of the state of the art of this technology shows the selection of the working fluid as an open research line, since until now there is no fluid that can meet all environmental and technical aspects to be considered in these cycles. Hence, we have developed a series of simulations that allow us to study the behavior of the Rankine cycle with different configurations and fluids (wet, dry and isentropic) which has led us to observe the influence on the overall cycle efficiency when we change the type of fluids used (refrigerants, hydrocarbons and water) as well as the conditions of temperature, pressure, flow, etc. With the work realized, the viability of this type of processes is demonstrated for the recovery of heat in industry and/or the use of renewable sources of low and medium temperature for the production of electricity.
Este trabajo presenta un estudio termodinámico realizado sobre el uso de fuentes de calor de baja temperatura para la generación de energía a través de un ciclo Rankine subcrítico con fluidos de trabajo orgánicos. Un análisis del estado del arte de esta tecnología muestra como línea de investigación abierta, la selección del fluido de trabajo, pues hasta ahora, no existe un fluido que satisfaga todos los aspectos medioambientales y técnicos a tener en cuenta en estos ciclos. Por ello, se ha desarrollado una serie de simulaciones que permiten estudiar el comportamiento del ciclo Rankine con diferentes configuraciones y fluidos (húmedo, seco e isoentrópico), permitiendo con ello observar de qué manera influyen cambios tanto en esos tipos de fluidos utilizados (refrigerantes, hidrocarburos y agua), como de condiciones de temperatura, presión, flujo, etc., sobre la eficiencia total del ciclo. Con el trabajo realizado se demuestra la viabilidad de este tipo de proceso en la recuperación de calores en la industria y/o aprovechamiento de fuentes renovables de baja y media temperatura para la producción de energía eléctrica.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Citas

Realpe, A. and Diazgranados, J. A. Electricity generation and wind potential assessment in regions of Colombia. Dyna, 79(171), pp. 116-122, 2012.

Hung, T. C., Shai, T. Y. and Wang, S. K. A review of organic Rankine cycles (ORC`s) for the recovery of low-grade waste heat. Energy, vol. 22(7), pp. 661-667, 1997. https://doi.org/10.1016/S0360-5442(96)00165-X

Vélez, F., Segovia, J., Martín, M. C., Antolín, G., Chejne, F. and Quijano A. A Technical, economical and market review of organic rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 16(6) pp. 4175- 4189, 2012. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.022

Saleh, B., Koglbauer, G., Wendland, M. and Fischer, J. Working fluids for low temperature organic Rankine cycles. Energy, vol. 32(7), pp. 1210-1221, 2007. https://doi.org/10.1016/j.energy.2006.07.001

Quoilin, S., Declaye, S., Tchange, B. F. and Lemort, V. Thermo-economic optimization of waste heat recovery organic Rankine cycles. Applied Thermal Engineering, 31(14), pp. 2885-2893, 2011. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.05.014

Tchange, B.F., Papadakis, G., Lambrinos, G. and Frangoudakis, A., Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle. Applied Thermal Engineering, 29(1), pp. 2468-2476, 2009. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.12.025

Vélez, F., Chejne, F., Antolín, G. and Quijano, A. Theoretical analysis of a transcritical power cycle for power generation from waste energy at low temperature heat source. Energy Conversion and Management, vol. 60, pp.188-195, 2012. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2012.01.023

Mago, P. J., Chamra, L. M., Srinivasan, K. and Somayaji, C. An examination of regenerative organic Rankine cycles using dry fluids. Applied Thermal Engineering, 28(8), pp. 998-1007, 2008. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.06.025

Schuster, A., Karellas, S., Kakaras, E. and Spliethoff, H., Energetic and economic investigation of organic Rankine cycle applications. Applied Thermal Engineering, 29(8-9), pp. 1809-1817, 2009. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2008.08.016

Vélez, F., Segovia, J., Chejne, F., Antolín, G., Quijano, A. and Martín, M.C. Low temperature heat source for power generation: exhaustive analysis of a carbon dioxide transcritical power cycle. Energy, 36(9), pp. 5497-5507, 2011. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.07.027

Chen, H., Goswami, Y. and Stefanakos, E. A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(9), pp. 3059-3067, 2010. https://doi.org/10.1016/j.rser.2010.07.006

Badr, O., Probert, S. D. and O'callaghan, P.W., Selecting a working fluid for a Rankine-cycle engine. Applied Energy, 21(1), pp. 1-42, 1985. https://doi.org/10.1016/0306-2619(85)90037-6 https://doi.org/10.1016/0306-2619(85)90072-8 https://doi.org/10.1016/0306-2619(85)90033-9

U.S. Environmental Protection Agency. Class I Ozone Depleting Substances. [Online]. [date of reference March 11th of 2013] Available at: www.epa.gov/ozone/science/ods/classone.html.

Velez, F., Segovia, J., Martín, M. C., Antolín, G., Chejne, F. and Quijano, A. Comparative study of working fluids for a Rankine cycle operating at low temperature. Fuel Processing Technology, vol. 103, pp. 71-77, 2012. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2011.09.017

Yamamoto, T., Furuhata, T., Arai, N. and Mori, K. Design and testing of the organic Rankine cycle. Energy, 26(3), pp. 239-251, 2001. https://doi.org/10.1016/S0360-5442(00)00063-3

Drescher, U. and Brüggemann, D. Fluid selection for the organic Rankine cycle (ORC) in biomass power and heat plants. Applied Thermal Engineering, 27(1), pp. 223-228, 2007. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.04.024

Lakew, A., Bolland, O. Working fluids for low temperature heat source. Applied Thermal Engineering, 30(10), pp. 1262-1268, 2010. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2010.02.009

Monsalve, E., Cecchi, P., Vidal, A., Zuñiga, A. Informe I: Ciclo de Rankine., Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile, 2008.

Lemmon, E. W., Huber, M. L. and Mclinden, M. O. Reference fluid thermodynamic and transport properties (REFPROP). NIST Standard Reference Database 23, Version 8.0; 2007.

Organic-rankine-cycle.blogspot. [en línea] [date of reference January 15th of 2014]. Available at: http://goo.gl/Oj7sxf

Licencia

Derechos de autor 2014 DYNA

Creative Commons License

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.

El autor o autores de un artículo aceptado para publicación en cualquiera de las revistas editadas por la facultad de Minas cederán la totalidad de los derechos patrimoniales a la Universidad Nacional de Colombia de manera gratuita, dentro de los cuáles se incluyen: el derecho a editar, publicar, reproducir y distribuir tanto en medios impresos como digitales, además de incluir en artículo en índices internacionales y/o bases de datos, de igual manera, se faculta a la editorial para utilizar las imágenes, tablas y/o cualquier material gráfico presentado en el artículo para el diseño de carátulas o posters de la misma revista.