Generacion electricidad

La generación de electricidad con máquinas ORC utilizando bajo grado de residuos de calor o energía renovable

Reflejos

•A escala de laboratorio beta-prototipo Organic Rankine Cycle máquina ha sido estudiada.

•La eficiencia del ciclo con la bomba de alimentación a una velocidad variable de gama completa ha sido determinada.

•Eficiencias de conversión energéticos y exergéticos se han evaluado experimentalmente.

•Se han analizado diversos efectos de sobrecalentamiento del evaporador en la eficiencia del ciclo.

•Se identificaron varias mejoras de ciclo y la potencial aplicación industrial.

Abstracto

En 2030, el consumo mundial de energía se prevé que crezca en un 71%. Al mismo tiempo, se espera que las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la energía que aumente en más de un 40%. En este contexto, las fuentes de residuos y energía renovable pueden representar alternativas para ayudar a reducir el consumo de energía primaria fósil. Este documento se centra en la viabilidad técnica, la eficiencia y la fiabilidad de una conversión de calor en electricidad, laboratorio beta-prototipo, 50 kW Ciclo Orgánico de Rankine (ORC) de la máquina utilizando residuos industriales o fuentes de energía renovables, a temperaturas que varían entre 85 ° C y 116 ° C. El ciclo termodinámico junto con los seleccionados de trabajo fluidos, componentes y estrategia de control, así como los principales resultados experimentales, se presentan. El estudio muestra que la potencia generada y la tasa de eficiencia de conversión neta global de la máquina depende principalmente en parámetros tales como las temperaturas de entrada de los residuos (o renovable) de calor y el fluido de refrigeración, así como en la estrategia de control y la cantidad de parasitaria eléctrica potencia requerida. Asimismo, indica que después de más de 3.000 h de funcionamiento continuo, la máquina ORC-50 beta-prototipo ha demostrado ser fiable y robusto, y listo para su despliegue mercado industrial.

1. Introducción

En Canadá, los ocho grandes sectores de fabricación representan más del 91% de la entrada de energía a las industrias manufactureras y cerca del 71% de la energía de entrada se liberan al medio ambiente a través de cuatro clases de flujos de calor residual identificables a temperaturas relativamente bajas (es decir, hasta 370 ° C) en forma de gases de chimenea, vapor o efluentes líquidos [1] . Tales rechazos de energía, junto con la generación de energía a partir de la combustión de combustibles fósiles plomo al calentamiento global y la contaminación del aire ambiente. Generalmente, la recuperación de calor por debajo de 370 ° C no es económicamente viable para la producción de electricidad con ciclos de generación de energía a base de vapor convencionales, tales como Diesel, Stirling, o básico Clausius-Rankine. El último de éstos, por ejemplo, convierte el calor en el trabajo a temperaturas más altas mediante el uso de agua como fluido de trabajo, pero se convierte en ineficaz a temperaturas de entrada por debajo de 370 ° C [2] . En consecuencia, se requieren diferentes técnicas de conversión de energía para utilizar de manera eficiente los recursos de bajo grado de calor residual "libres" para la generación de energía [3] , [4] , [5]  y  [6] . Entre estas alternativas, las máquinas basadas en Ciclo Orgánico de Rankine (ORC), similar a las plantas básicas de energía de Clausius-Rankine, no utilizar agua, sino que se vaporizan líquidos de alto peso molecular, masa (también conocidos como orgánicos líquidos) con puntos de ebullición por debajo de la de agua [7]  y  [8] . Máquinas ORC pueden utilizar varios tipos de bajo grado de residuos industriales de calor o fuentes (biomasa, solar, geotérmica) de energía renovable. Pero, a pesar de sus conocidas ventajas más ciclos convencionales de alta temperatura de vapor de agua (por ejemplo, presiones y temperaturas de operación más bajos, menor tamaño y menor complejidad y costos), máquinas ORC no han sido ampliamente utilizado hasta ahora, principalmente debido a las preocupaciones acerca de su viabilidad económica, reducir la eficiencia de conversión de calor a la energía, y, en ciertos casos, los consumos de energía parasitarias.

2. Estructura de ensayo

Un 50 kW beta-prototipo de máquina ORC fue diseñado, construido [9] , y se instala en un banco de pruebas de laboratorio [10] , [11]  y  [12] . El prototipo incluye un expansor de una sola etapa de doble tornillo, un condensador de acero inoxidable y pre-calentador / evaporador conjunto intercambiador de calor, un receptor de líquido, y una bomba de circulación de fluido de trabajo de velocidad variable (PMA) (Fig. 1 ). La máquina es escalable, permitiendo la conexión de múltiples unidades similares a una sola fuente de calor si es suficiente energía disponible. Si estas unidades se instalan en paralelo, se necesita caudal de agua caliente suficiente para cada máquina. Si están conectados en serie con uno usando agua caliente de la toma de pre-calentador de la otra, la fuente de calor de temperatura de entrada tendrá que ser lo suficientemente alta, también.

[pic 1]

Fig. 1. 

Representación esquemática de la configuración experimental [9] , [10]  y  [11] . C - controlador; FM - medidor de flujo; GP - fluido refrigerante (agua / glicol) de la bomba; MV - válvula de mezcla; P - presión; T - temperatura; WP - portador térmico de calor residual (agua) de la bomba; PMA - trabajo de la bomba de líquido; SV - válvula de solenoide.

Opciones Figura

El mantenimiento de rutina es fácil, y con una configuración básica, los técnicos con una HVAC y fondo mecánico puede manejar el mantenimiento requerido. Además, el sistema de control está totalmente automatizado, que permite el control remoto y monitoreo a través de una conexión a Internet, así como el mantenimiento del sitio apagado. El pequeño tamaño, montada sobre patines ORC-50 máquina se ha conectado a una caldera eléctrica de 700 kW, la simulación de los residuos (o renovable) fuente de calor, a un enfriador de líquido refrigerado por aire, ya la red eléctrica Hydro-Québec. La máquina se convierte en energía eléctrica la energía térmica recuperada de los residuos (o renovable) calor que entra en la máquina en una forma líquida (agua) a temperaturas que varían desde 85 ° C hasta 125 ° C. La potencia de salida ORC-50 de la máquina varía de 20 a 50 kW eléctrica, dependiendo de las temperaturas de entrada y las tasas de flujo de la fuente y sumidero de fuentes de calor, respectivamente.

El sistema se instrumentó de manera general los termopares, eléctricas y de presión transductores, medidores de flujo para el fluido de trabajo, y tanto fluido orgánico, fuente de calor, y se hunden portadores térmicos. Un sistema de transmisión de datos y software de análisis asociado se crearon para supervisar el funcionamiento del sistema. Todos los parámetros fueron escaneadas a intervalos de 15 s, luego se promedian y guardan cada minuto, para ayudar a determinar el rendimiento termodinámico instantánea y global del ciclo.

2.1. Ciclo termodinámico

La baja presión ( p 1 ) fluido orgánico que sale del condensador como un líquido saturado o sub-enfriado (estado 1) se acumula dentro del receptor en equilibrio con su fase de vapor (ver Fig. 1  y  Fig. 5 ).Entonces, entra en la bomba de alimentación de fluido de trabajo (PMA), donde su presión adiabáticamente se elevó a la saturación de presión (evaporación) ( p 2 ) (2s estatales), antes de entrar en el conjunto intercambiador de calor pre-calentador / evaporador. La bomba de alimentación de múltiples etapas es accionado por un accionamiento de frecuencia variable (de 0 a 60 Hz) con el fin de suministrar el caudal requerido para lograr un efecto relativamente pequeño de sobrecalentamiento (es decir, por debajo de 5 ° C) a la salida del evaporador [13] . Además, entre 10% y 15% de la tasa de flujo de fluido orgánico de salir de la bomba de alimentación se inyecta en el expansor en los puertos de entrada y salida.

Dado que la tasa de destrucción de exergía en la bomba de alimentación es relativamente pequeño, el proceso de 1-2s se considera como isentrópico (adiabática), y la entrada de potencia se expresa como

ecuación( 1 )

[pic 2]

Gire MathJaxen 

[pic 3]

donde W p, ideales es la bomba de alimentación de entrada de potencia ideal (kW), η p - la eficiencia isoentrópica bomba de alimentación (90%),[pic 4]- El caudal másico de fluido orgánico (kg / s), h 1 y h2S - las entalpías masa de fluido orgánicos en los puertos de entrada y salida de la bomba de alimentación en el caso, respectivamente (kJ / kg), ideal p 1 y p 2 - las presiones de fluido orgánicos entran y salen de la bomba de alimentación, respectivamente, y ρ - la densidad de masa promedio de fluido orgánico (kg / m 3 ). Por otro lado, el portador fluido calor residual (agua) entra en el evaporador donde se transfiere calor al fluido de trabajo durante la evaporación y procesos de sobrecalentamiento (3-4-5). En la salida del evaporador, aproximadamente el 20% del fluido de calor residual (agua) la velocidad de flujo entra en el pre-calentador para precalentar parcial o completamente el fluido orgánico de las sub-enfriado estado líquido (2s) hasta (cerca de) el estado saturado ( 2a). El fluido orgánico precalentado entra en el evaporador en el estado 2a donde se vaporizar y el recalentamiento a una presión constante (proceso de 2a-3-4-5). La potencia térmica pre-calentador / evaporador recuperado de la fuente de calor residual está dada por

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