Búsqueda de fluidos de trabajo alternativos de bajo potencial calentamiento atmosférico para uso en Ciclos Orgánico Rankine de baja temperatura y pequeña potencia. Análisis de HCFO-1224yd(Z) como potencial candidato

Resumen

Desde un tiempo atrás, los temas medioambientales están en el punto de mira, tratándose de una problemática muy real que hay que abordar cuanto antes. Existen muchos enfoques desde donde tratar esta situación, y esta tesis explora el de la recuperación energética, centrándose en un tema muy concreto, los fluidos de trabajo empleados en ciclos orgánicos Rankine (ORC). Los ORC destacan entre los ciclos de potencia en aplicaciones de baja temperatura y pequeña escala. Se trata de una forma eficiente de recuperar energía térmica presente en la naturaleza y en corrientes residuales. A pesar de que se trata de una forma limpia de conseguir energía eléctrica, se debe tener en cuenta el tipo de fluido de trabajo utilizado y los problemas que éste conlleva. Actualmente el fluido HFC-245fa es uno de los más extendidos en estas instalaciones, pero su alto Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) hace que cada vez sea más necesaria la búsqueda de fluidos de trabajo alternativos medioambientalmente sostenibles. Con esta tesis no se busca simplemente un fluido respetuoso con el medioambiente que funcione en ORCs, sino que se busca fluidos de trabajo capaces de ser utilizados en instalaciones existentes. Así, en la presente tesis se plantea encontrar un fluido de bajo PCA capaz de trabajar en instalaciones ORC de pequeña escala y baja temperatura previamente diseñadas para el uso de HFC-245fa. Para alcanzar este objetivo, además de revisar el estado en el que se encuentra esta tecnología, se realiza un estudio teórico y experimental. En el estudio teórico se compara el comportamiento del HFC-245fa con el de las alternativas de bajo PCA propuestas actualmente: HCFO-1224yd(Z), HFO-1336mzz(Z), HCFO-1233zd(E), HFO-1234ze(Z), HFO-1336mzz(E) y R-514-A. El estudio teórico muestra como de entre las alternativas planteadas, el HCFO-1224yd(Z) destaca como principal candidato como sustituto directo al HFC-245fa, debido a sus similares resultados en cuanto a potencia y eficiencias y a su similar caudal volumétrico a la entrada del expansor. Es por ello por lo que, finalmente, se compara experimentalmente el HCFO-1224yd(Z) con el fluido de referencia, HFC-245fa. En el trabajo experimental, en primer lugar, se emplea un banco de ensayos para realizar la comparativa entre HFC-245fa y HCFO-1224yd(Z). Después, con el objetivo de corroborar los resultados y probar el comportamiento del ciclo en condiciones reales, se realiza otra comparativa, pero esta vez empleando una instalación real. Mediante los estudios experimentales se logra determinar la viabilidad del uso de HCFO-1224yd(Z) como reemplazo directo, ya que a pesar de ofrecer una potencia neta menor a la del fluido de referencia, éste ofrece unos resultados muy similares en cuanto a eficiencia neta. Incluso para ciertos puntos de operación, cuando se incrementa la temperatura de la fuente de calor, el HCFO-1224yd(Z) llega a ofrecer una eficiencia neta superior. Además, los resultados obtenidos son susceptibles de mejora si se introducen pequeñas modificaciones en la operación del ciclo.