CYTEF 2016 VIII Congreso Ibérico VI Congreso Iberoamericano de las Ciencias y Técnicas del Frío Coimbra-Portugal, 3-6 mayo, 2016

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1 CYTEF 2016 VIII Congreso Ibérico VI Congreso Iberoamericano de las Ciencias y Técnicas del Frío Coimbra-Portugal, 3-6 mayo, 2016 ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE UN SISTEMA COMBINADO DE CICLO DE COMPRESIÓN DE VAPOR Y CICLO ORGÁNICO RANKINE ACTIVADO CON FUENTES DE CALOR DE BAJA TEMPERATURA Y UTILIZANDO FLUIDOS DE BAJO GWP Joaquín Navarro Esbrí 1 *, Francisco Molés Ribera 1, Bernardo Peris Pérez 1, Adrián Mota Babiloni 1 y Antonio Real Fernández 2 1: Grupo ISTENER, Departamento de Ingeniería Mecánica y Construcción, Escuela Superior de Tecnología y Ciencias Experimentales, Universidad Jaume I Campus de Riu Sec s/n, E12071, Castellón (ESPAÑA) navarroj@uji.es, web: 2: Grupo de Investigación y Desarrollo de Tecnologías en Aplicaciones Energéticas, Escuela Superior de Enseñanzas Técnicas, Universidad CEU Cardenal Herrera C/ San Bartolomé, , Alfara del Patriarca, Valencia (ESPAÑA) antonio.real@uch.ceu.es, web: Resumen Se ha estudiado un sistema combinado de ciclo de compresión de vapor (VCC) y ciclo orgánico Rankine (ORC) activado con fuentes de calor de baja temperatura. Dos fluidos de trabajo distintos de bajo potencial de efecto invernadero (GWP) han sido considerados como fluidos de trabajo en el VCC y en el ORC. El desempeño del sistema se ha evaluado a través de un modelo teórico en diferentes condiciones de operación. El COP térmico calculado para el sistema ORC-VCC varía entre 0.4 y 1.2 en el rango de condiciones de operación consideradas. El COP eléctrico calculado para el sistema ORC-VCC varía entre 30 y 140. Palabras clave: ciclo orgánico Rankine, ciclo de compresión de vapor, sistema combinado, fuentes de calor de baja temperatura, fluidos de bajo GWP.

2 1. INTRODUCCIÓN Comparada con otras tecnologías de refrigeración activadas térmicamente, un ciclo de compresión de vapor (VCC) accionado mediante un ciclo orgánico Rankine (ORC) presenta la ventaja de hacer uso de la fuente de calor de forma continua [1] para producir frío o electricidad cuando la refrigeración no es necesaria [2], incrementando el número de horas de operación del sistema y mejorando la viabilidad económica. Lo sistemas combinados ORC-VCC presentados en publicaciones previas utilizan diversos fluidos de trabajo: clorofluorocarbonos (CFCs), hidroclorofluorocarbonos (HCFCs) y hidrofluorocarbonos (HFCs) [3, 4]. Los refrigerantes CFC y HCFC han sido sustituidos ampliamente por refrigerantes HFC, con nulo potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP), de acuerdo con el Protocolo de Montreal [5]. No obstante, el impacto medioambiental de estos fluidos de trabajo cuando escapan a la atmósfera no se limita al agotamiento de la capa de ozono. En realidad, mientras que todos los HFCs son inofensivos para la capa de ozono, algunos HFCs presentan valores altos del potencial de efecto invernadero (GWP) y pueden contribuir de forma significativa al cambio climático. Los HFCs han sido señalados como gases de efecto invernadero a través del Protocolo de Kioto en 1997 [6] y como resultado se ha iniciado la búsqueda de alternativas a los HFCs con alto GWP. Atendiendo a los sistemas ORC, Quoilin et al. [7] señalan que el HFC-245fa es un fluido de trabajo utilizado comúnmente en instalaciones ORC comerciales, principalmente en recuperación de calor a baja temperatura. Atendiendo a sus características medioambientales, el HFC-245fa tiene un GWP de 858 [8]. Recientemente se han propuesto fluidos de trabajo de bajo GWP como alternativas potenciales al HFC-245fa en varias aplicaciones, incluyendo los sistemas ORC, entre los que destaca el HFO-1336mzz(Z), una hidrofluoroolefina (HFO) con un GWP de 2 [8] y nulo ODP [9, 10]. Atendiendo a los sistemas VCC, el fluido de trabajo HFO-1234ze(E) ha sido propuesto [11] como alternativa al HFC-134a, un refrigerante con un GWP de 1,300 [8] y utilizado de forma extensiva en refrigeración y aire acondicionado. El HFO-1234ze(E) presenta un ODP nulo [12] y un valor de GWP menor de 1 [8], así como baja toxicidad e inflamabilidad media [13]. Por tanto, el objetivo de este trabajo es la evaluación teórica del desempeño energético de un sistema combinado de ciclo orgánico Rankine y ciclo de compresión de vapor activado mediante fuentes de calor de baja temperatura y utilizando fluidos de bajo GWP. El resto del documento se organiza como sigue. En la Sección 2, se describe el sistema ORC-VCC. En la Sección 3, el análisis termodinámico es brevemente explicado. En la Sección 4, se muestran y discuten los resultados. Finalmente en la Sección 5, se recogen las principales conclusiones del trabajo. 2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ORC-VCC La Figura 1 muestra un esquema del sistema ORC-VCC. Tal y como era de esperar, el sistema está compuesto de dos ciclos: el ORC ( ) y el VCC ( ). Los dos ciclos se encuentran acoplados, con la potencia mecánica producida por el expansor del ORC accionando el compresor el VCC, eliminando las pérdidas asociadas con los generadores y motores eléctricos. El sistema utiliza diferentes fluidos de trabajo en el ORC y el VCC, permitiendo mejorar la eficiencia global. El ORC incluye un intercambiador intermedio como regenerador, utilizando el recalentamiento del vapor a la salida del expansor para precalentar el líquido a la entrada del evaporador, reduciendo al mismo tiempo la carga térmica en el condensador. El VCC incluye un intercambiador intermedio, que reduce la temperatura del vapor a la salida del evaporador. El recalentamiento del vapor resultante del uso del intercambiador intermedio causa que aumente la temperatura de descarga del compresor. El calor sensible presente en el vapor a la salida del compresor se utiliza para precalentar el líquido a la salida de la bomba del ORC. El sistema es una alternativa a las tecnologías de refrigeración activadas 2

3 térmicamente con la ventaja de proporcionar potencia mecánica, o electricidad, cuanto la refrigeración no es necesaria. Por tanto, tal y como se ha introducido previamente, el sistema tiene la ventaja de hacer uso de la fuente de calor durante todo el año, aumentando las horas de operación del sistema y mejorando la viabilidad económica. Desde un punto de vista económico, el coste de un sistema VCC es menor que el de otras tecnologías de refrigeración activadas térmicamente, y el presente sistema, combinando un ORC y un VCC, mejora la viabilidad comparado con otras soluciones cuando el número de horas con demanda de refrigeración es bajo (como por ejemplo en edificios). ORC VCC Condensador 1 Bomba Condensador Regenerador 6 Recuperador 11 8 IHX Válvula de expansión 4 Evaporador Expansor 5 Compresor 14 Evaporador 13 Figura 1. Sistema ORC-VCC. 3

4 3. ANÁLISIS TERMODINÁMICO Para desarrollar un modelo termodinámico del sistema ORC-VCC, se han considerado las siguientes hipótesis: se consideran condiciones de estado estacionario en todos los componentes; se desprecian las pérdidas de calor y por fricción; la potencia consumida por los condensadores (por ejemplo debida a la operación de ventiladores o bombas de agua) se asume despreciable al depender del diseño del condensador; se asume la temperatura de condensación igual en los dos condensadores como condición de diseño (se asume el mismo sumidero de calor para ambos); se asume una expansión isoentálpica en la válvula de expansión; el calor transferido en el regenerador del ORC, el IHX del VCC y el recuperador del sistema ORC-VCC se calcula al especificar la eficiencia de intercambio de calor definida debajo (con el lado caliente con mínima capacidad térmica); el líquido a la salida de ambos condensadores presenta un subenfriamiento de 5 K, para evitar la cavitación de la bomba; el vapor a la salida del evaporador del ORC tiene un recalentamiento de 5 K para evitar la presencia de líquido en el expansor; y el vapor a la salida del evaporador del VCC tiene un recalentamiento de 10 K para evitar la presencia de líquido en el compresor. El desempeño del sistema ORC-VCC se evalúa mediante dos parámetros: el COP térmico, definido como la relación de la potencia frigorífica captada en el evaporador del VCC y la potencia térmica captada en el evaporador del ORC; y el COP eléctrico, definido como la relación entre la potencia frigorífica captada en el evaporador del VCC y la potencia eléctrica consumida por la bomba del ORC. Basado en estas hipótesis y atendiendo a la configuración del sistema ORC-VCC presentada en la Figura 1, se ha desarrollado un modelo matemático del sistema. Las propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo se han obtenido de la base de datos REFPROP [14]. Los principales parámetros que determinan el desempeño del sistema se especifican en la Tabla 1. Tabla 1. Parámetros de operación del sistema. Parámetros Valores numéricos Temperaturas de condensación del ORC y del VCC 300 K Temperatura de evaporación del ORC 370 K 420 K Temperatura de evaporación del VCC 260 K, 270 K, 280 K Recalentamiento a la salida del evaporador del ORC 5 K Recalentamiento a la salida del evaporador del VCC 10 K Subenfriamiento a la salida del condensador del ORC y del VCC 5 K Eficiencia del regenerador del ORC 80% Eficiencia del IHX del VCC 80% Eficiencia del recuperador ORC-VCC 80% is, x Rendimientos isoentrópicos (, is, c, is, p ) 80% o, x Rendimientos globales del expansor y del compresor (, o, c ) 75% o, p Rendimiento global de la bomba ( ) 45% 4

5 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El desempeño del sistema se ha cuantificado a partir de los siguientes parámetros: COP térmico y COP eléctrico del sistema ORC-VCC. El desempeño del sistema se ha obtenido en el rango de condiciones de operación mostrado en la Tabla 3 para la temperatura de evaporación del ORC y la temperatura de evaporación del VCC. El COP térmico del sistema ORC-VCC, mostrado en la Figura 2, varía entre 0.4 y 1.2 en función de las condiciones de operación. El COP térmico aumenta significativamente con la temperatura de evaporación del VCC. En cuanto a la influencia de la temperatura de evaporación del ORC, está es más significativa para mayores temperaturas de evaporación del VCC. Aun así, para el rango de condiciones de operación estudiado, el COP térmico del sistema ORC-VCC aumenta con la temperatura de evaporación del ORC. Figura 2. Variación del COP térmico con la temperatura de evaporación del ORC y la temperatura de evaporación del VCC. La Figura 3 presenta el COP eléctrico del sistema ORC-VCC, relacionado con el consumo de la bomba del ORC. Los valores del COP eléctrico varían entre 30 y 140, en función de las condiciones de operación. Al contrario que para el COP térmico, el COP eléctrico disminuye al aumentar la temperatura de evaporación del ORC, siendo la influencia de este parámetro más significativa para mayores temperaturas de evaporación del VCC. De forma similar a lo que ocurría con el COP térmico, el COP eléctrico aumenta con la temperatura de evaporación del VCC. 5

6 Figura 3. Variación del COP eléctrico con la temperatura de evaporación del ORC y la temperatura de evaporación del VCC. 5. CONCLUSIONES Se ha llevado a cabo un análisis computacional del desempeño de un sistema combinado de ciclo orgánico Rankine y ciclo de compresión de vapor activado mediante fuentes de calor de baja temperatura y utilizando fluidos de trabajo de bajo GWP. El sistema propuesto puede considerarse como una alternativa a los sistemas de absorción con la ventaja de proporcionar potencia mecánico o electricidad cuando no se requiere refrigeración. El sistema utiliza diferentes fluidos de trabajo en el ORC y el VCC, permitiendo mejorar la eficiencia global. El COP térmico del sistema ORC-VCC varía entre 0.4 y 1.2; aumenta con la temperatura de evaporación del ORC y del VCC. El COP eléctrico del sistema ORC-VCC, relacionado con el consumo de la bomba del ORC, varía entre 30 y 140, en función de las condiciones de operación. REFERENCIAS [1] H. Wang, R. Peterson, K. Harada, E. Miller, R. Ingram-Goble, L. Fisher, J. Yih, C. Ward, Performance of a combined organic Rankine cycle and vapor compression cycle for heat activated cooling, Energy 36 (2011) [2] H. Wang, R. Peterson, T. Herron, Design study of configurations on system COP for a combined ORC (organic Rankine cycle) and VCR (vapor compression cycle), Energy 36 (2011) [3] M. Dubey, S.P.S. Rajput, P.K. Nag, R.D. Misra, Energy analysis of a coupled power refrigeration cycle, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A: Journal of 6

7 Power and Energy 224 (2010) [4] S. Aphornratana, T. Sriveerakul, Analysis of a combined Rankine-vapour compression refrigeration cycle, Energy Conversion and Management 51 (2010) [5] United Nations Environment Program (UNEP), Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer, Final Act, United Nations, New York, [6] Kyoto Protocol, Report of the Conference of the Parties, United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), [7] S. Quoilin, M. Van Den Broek, S. Declaye, P. Dewallef, V. Lemort, Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 22 (2013) [8] G. Myhre, D. Shindell, F.-M. Bréon, W. Collins, J. Fuglestvedt, J. Huang, D. Koch, J.F. Lamarque, D. Lee, B. Mendoza, T. Nakajima, A. Robock, G. Stephens, T. Takemura and H. Zhang, 2013: Anthropogenic and Natural Radiative Forcing, In: Climate Change: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)], Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. [9] K. Kontomaris, B. Minor and B. Hydutsky, Low GWP Working Fluid for Organic Rankine Cycles: DR-2; Chemical Stability at High Temperatures, 2nd International Seminar on ORC Power Systems, ASME ORC 2013, Rotterdam, The Netherlands, Oct. 7-8, [10] K. Kontomaris, HFO-1336mzz-Z: High temperature chemical stability and use as a working fluid in Organic Rankine Cycles, 15th International Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, West Lafayette, Indiana, USA, July 14-17, [11] M.O. McLinden, A.F. Kazakov, J.S. Brown, P.A. Domanski, A thermodynamic analysis of refrigerants: possibilities and tradeoffs for low-gwp refrigerants, International Journal of Refrigeration 38 (2014) [12] M. Koban, HFO-1234yf Low GWP Refrigerant LCCP Analysis, SAE Technical Paper , doi: / [13] World Meteorological Organization (WMO), Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006, Global Ozone, Research and Monitoring Project Report 50, Geneva, Switzerland, [14] E.W. Lemmon, M.L. Huber, M.O. McLinden, REFPROP, NIST Standard Reference Database 23, v.8, National Institute of Standards, Gaithersburg, MD, USA,