ES2989330T3 - Proceso de ciclos de Rankine orgánicos para generar energía mecánica a partir de calor - Google Patents

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Abstract

Se describen composiciones de nuevos fluidos de trabajo diseñados exclusivamente para lograr mayores eficiencias de ciclo que conducen a mayores eficiencias generales del sistema. En particular, estos fluidos de trabajo son útiles en sistemas de ciclo de Rankine orgánico para convertir de manera eficiente el calor de cualquier fuente de calor en energía mecánica. La presente invención también se refiere a nuevos procesos para recuperar calor de una fuente de calor utilizando sistemas de ORC con un nuevo fluido de trabajo que comprende al menos aproximadamente un 20 por ciento en peso de cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzz-Z), trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzz E), o mezclas de los mismos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de ciclos de Rankine orgánicos para generar energía mecánica a partir de calor
Antecedentes
1. Campo de la divulgación
La presente invención se refiere a un proceso para recuperar calor a partir de una fuente de calor utilizando sistemas ORC con un fluido de trabajo que consiste en cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzz-Z).
2. Descripción de la técnica relacionada
Los sistemas de ciclos de Rankine anteriores han utilizado diferentes fluidos de trabajo, incluidos fluidos de trabajo inflamables o combustibles, fluidos con una toxicidad relativamente alta, fluidos con potenciales de calentamiento global (PCG) relativamente altos y fluidos con potenciales de agotamiento de la capa de ozono (PAO) distintos de cero. Véase, por ejemplo, el documento JP-A-201048129 A que divulga un ciclo de potencia ORC ejecutado de forma transcrítica que utiliza HFC-134a. La industria ha estado trabajando para reemplazar los clorofluorocarbonos (CFC) e hidroclorofluorocarbonos (HCFC) que agotan la capa de ozono. Son muy deseables fluidos de trabajo ambientalmente sostenibles, no inflamables y de baja toxicidad para las aplicaciones del ciclo de Rankine. Los documentos US 2010/127208 A1 y WO 2010/141669 A 1 divulgan HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo potencial en aplicaciones de calefacción y refrigeración. El documento US 2011/144216 A1 se refiere a un sistema ORC en el que el fluido de trabajo es una composición que comprende o que consiste fundamentalmente en Z-HFO-1336mzzm, y, en un ejemplo, se calienta hasta 190 °C a una presión desconocida. El documento WO 2011/066089 A1 se refiere a un sistema ORC que funciona de forma transcrítica, aunque no se divulga HFO-1336-mzz-Z. Otros ejemplos de sistemas ORC se divulgan en los documentos WO 2011/084447 A2, US 7428816 B2 y XP027582754.
Se ha descubierto que, sorprendentemente, el fluido de trabajo de la presente invención proporciona de manera excepcional unas eficiencias de ciclo más altas en sistemas ORC que, a su vez, dan como resultado unas eficiencias generales del sistema más altas en el ciclo de potencia al tiempo que ofrecen una baja toxicidad, ausencia de inflamabilidad, PAO cero y PCG muy bajo.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere a un proceso para recuperar calor a partir de una fuente de calor y generar energía mecánica, que comprende las etapas de:
(a) comprimir un primer fluido de trabajo en fase líquida por encima de la presión crítica de dicho primer fluido de trabajo;
(b) hacer pasar dicho primer fluido de trabajo de la etapa (a) a través de un intercambiador de calor o un calentador de fluidos y calentar dicho primer fluido de trabajo hasta una temperatura en el intervalo de 200 °C a 250 °C, en donde dicho intercambiador de calor o dicho calentador de fluidos está en comunicación con dicha fuente de calor que suministra dicho calor;
(c) retirar al menos una parte del primer fluido de trabajo calentado de dicho calentador de fluidos del intercambiador de calor;
(d) hacer pasar al menos una parte del primer fluido de trabajo calentado a un expansor,
en donde al menos parte de dicho calor se convierte en energía mecánica, y
en donde la presión sobre dicha al menos primera parte de dicho primer fluido de trabajo calentado se reduce por debajo de la presión crítica de dicho primer fluido de trabajo, convirtiendo de este modo dicha al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado en un primer vapor de fluido de trabajo o en una primera mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo;
(e) hacer pasar dicho primer vapor de fluido de trabajo o dicha primera mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo desde dicho expansor a un condensador, en donde dicha al menos una parte de dicho vapor de fluido de trabajo o dicha mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo se condensa completamente en un segundo fluido de trabajo en fase líquida;
(f) comprimir y mezclar dicho segundo fluido de trabajo en fase líquida con dicho primer fluido de trabajo en fase líquida en la etapa (a);
(g) repetir las etapas (a) a (f),
en donde dicho primer fluido de trabajo consiste en HFO-1336mzz-Z.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de bloques de una fuente de calor y un sistema de ciclo de Rankine orgánico en un intercambio de calor directo según la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de bloques de una fuente de calor y un sistema de ciclo de Rankine orgánico que utiliza una configuración de circuito secundario para proporcionar calor desde una fuente de calor a un intercambiador de calor para convertirlo en energía mecánica según la presente invención.
La figura 3 muestra la eficiencia energética de ciclos de Rankine orgánicos transcríticos que funcionan con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo en función de la presión del calentador de fluidos para temperaturas seleccionadas del fluido de trabajo en la entrada del expansor (Tcond = 54,44 °C; Tsubenfriamiento = 7,78 °C; eficiencia del expansor = 0,85; y eficiencia de la bomba = 0,85).
La figura 4 muestra la eficiencia energética de ciclos de Rankine orgánicos transcríticos que funcionan con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo en función de la presión del calentador de fluidos para temperaturas seleccionadas del fluido de trabajo en la entrada del expansor (Tcond = 40 °C; Tsubenfriamiento = 0 °C; eficiencia del expansor = 0,85; y eficiencia de la bomba = 0,85).
La figura 5 muestra un ORC transcrítico con una expansión completamente seca.
La figura 6 muestra un ORC transcrítico con condensación parcial durante la expansión, pero con vapor seco en la salida del expansor.
La figura 7 muestra un ORC transcrítico con expansión húmeda y con la temperatura en la entrada del expansor más alta que la temperatura crítica del fluido de trabajo.
La figura 8 muestra un ORC transcrítico con expansión húmeda, pero con la temperatura en la entrada del expansor más baja que la temperatura crítica del fluido de trabajo.
Descripción detallada
El potencial de calentamiento global (PCG) es un índice para calcular la contribución relativa al calentamiento global debido a la emisión atmosférica de un kilogramo de un gas de efecto invernadero concreto en comparación con la emisión de un kilogramo de dióxido de carbono. El PCG se puede calcular para diferentes horizontes de tiempo que muestran el efecto de la vida útil atmosférica para un gas determinado. El PCG para el horizonte de tiempo de 100 años suele ser el valor referenciado.
La potencia de salida neta del ciclo es la tasa de generación de trabajo mecánico en el expansor (por ejemplo, una turbina) menos la tasa de trabajo mecánico consumido por el compresor (por ejemplo, una bomba de líquidos).
La capacidad volumétrica para la generación de energía es la potencia neta de salida del ciclo por unidad de volumen de fluido de trabajo (medido en las condiciones en la salida del expansor) que circula a través del ciclo.
La eficiencia del ciclo (también conocida como eficiencia térmica) es la potencia neta de salida del ciclo dividida por la tasa a la que el fluido de trabajo recibe calor durante la etapa de calentamiento.
El subenfriamiento es la reducción de la temperatura de un líquido por debajo del punto de saturación de ese líquido para una presión determinada. El punto de saturación es la temperatura a la que una composición de vapor se condensa totalmente en un líquido (también conocido como punto de burbuja), aunque el subenfriamiento continúa enfriando el líquido a una temperatura más baja a la presión determinada. La cantidad de subenfriamiento es la cantidad de enfriamiento por debajo de la temperatura de saturación (en grados) o cuánto por debajo de su temperatura de saturación se enfría una composición líquida.
El sobrecalentamiento es un término que define hasta qué punto se calienta una composición de vapor por encima de su temperatura de saturación (la temperatura a la cual, si la composición se enfría, se forma la primera gota de líquido, también denominado "punto de rocío").
El deslizamiento de temperatura (a veces denominado simplemente "deslizamiento") es el valor absoluto de la diferencia entre las temperaturas de inicio y finalización de un proceso de cambio de fase por un refrigerante dentro de un componente de un sistema refrigerante, excluyendo cualquier subenfriamiento o sobrecalentamiento. Esta expresión puede usarse para describir la condensación o evaporación de una composición casi azeotrópica o no azeotrópica. El deslizamiento promedio se refiere al promedio del deslizamiento en el evaporador y el deslizamiento en el condensador de un sistema enfriador específico que funciona con un conjunto determinado de condiciones.
El término "seco" tal como se utiliza en relación con "una expansión seca", por ejemplo, se entiende como una expansión que tiene lugar enteramente en fase de vapor sin presencia de fluido de trabajo líquido. Por lo tanto, "seco", tal como se utiliza en el presente documento, no se relaciona con la presencia o ausencia de agua.
Una composición azeotrópica es una mezcla de dos o más componentes diferentes que, cuando está en forma líquida en una presión determinada, hervirá a una temperatura sustancialmente constante, y esta temperatura puede ser superior o inferior a las temperaturas de ebullición de los componentes individuales, y proporcionará una composición de vapor fundamentalmente idéntica a la composición líquida total que está hirviendo (véase, por ejemplo, M. F. Doherty y M. F. Malone, Conceptual Design of Distillation Systems, McGraw-Hill (Nueva York), 2001, 185-186, 351 359).
En consecuencia, las características fundamentales de una composición azeotrópica son que, a una presión determinada, el punto de ebullición de la composición líquida es fijo y la composición del vapor por encima de la composición en ebullición es fundamentalmente la de la composición líquida total en ebullición (es decir, no tiene lugar el fraccionamiento de los componentes de la composición líquida). También se reconoce en la técnica que tanto el punto de ebullición como los porcentajes en peso de cada componente de la composición azeotrópica pueden cambiar cuando la composición azeotrópica se somete a ebullición a diferentes presiones. Por lo tanto, una composición azeotrópica puede definirse con respecto a la relación exclusiva que existe entre los componentes o con respecto a los intervalos de composición de los componentes o con respecto a los porcentajes en peso exactos de cada componente de la composición caracterizada por un punto de ebullición fijo a una presión específica.
Para los fines de la presente invención, una composición similar a un azeótropo significa una composición que se comporta sustancialmente como una composición azeotrópica (es decir, tiene características de ebullición constante o una tendencia a no fraccionarse tras la ebullición o la evaporación). Por tanto, durante la ebullición o la evaporación, las composiciones de vapor y líquidas, si es que cambian en absoluto, cambian solo en un grado mínimo o insignificante. En esto se diferencian de las composiciones no similares a azeótropos en las que, durante la ebullición o la evaporación, las composiciones de vapor y líquido cambian en un grado sustancial.
Como se usan en el presente documento, los términos y expresiones "comprende", "que comprende", "incluye", "que incluye", "tiene", "que tiene" o cualquier otra variación de los mismos, tienen por objeto cubrir una inclusión no exclusiva. Por ejemplo, una composición, proceso, método, artículo o aparato que comprende una lista de elementos no se limita necesariamente solo a aquellos elementos, sino que puede incluir otros elementos no enumerados expresamente o inherentes a tal composición, proceso, método, artículo o aparato. Además, a menos que se indique expresamente lo contrario, "o" se refiere a una "o" inclusiva y no a una "o" exclusiva. Por ejemplo, una condición A o B se cumple si se cumple una cualquiera de los siguientes frases: A es verdadera (o está presente) y B es falsa (o no está presente), A es falsa (o no está presente) y B es verdadera (o está presente), y A y B son las dos verdaderas (o están presentes).
La expresión de transición "que consiste en" excluye cualquier elemento, etapa o ingrediente no especificado. Si está en la reivindicación, restringirá la inclusión en la reivindicación de materiales distintos a los citados, excepto por las impurezas habitualmente asociadas a los mismos. Cuando la expresión "consiste en" aparece en una cláusula del cuerpo de una reivindicación, en lugar de seguir inmediatamente al preámbulo, limita solo el elemento expuesto en dicha cláusula, sin excluir otros elementos de la reivindicación en su conjunto.
La expresión de transición "que consiste fundamentalmente en" se usa para definir una composición, un método o un aparato que incluye materiales, etapas, características, componentes o elementos, además de los literalmente divulgados, siempre que estos materiales, etapas, características, componentes o elementos adicionales incluidos no afecten materialmente a las características básicas y novedosas de la invención reivindicada. La expresión "que consiste fundamentalmente en" ocupa un término medio entre "que comprende" y "que consiste en".
Cuando los solicitantes definen una invención, o una de sus partes, con un término abierto, tal como "que comprende", se entenderá con facilidad (a menos que se indique lo contrario) que debe interpretarse que la descripción también describe dicha invención utilizando las expresiones "que consiste fundamentalmente en" o "que consiste en".
Además, el uso de "un" o "una" se emplea para describir elementos y componentes descritos en el presente documento. Esto se hace simplemente por conveniencia y para dar un sentido general del alcance de la invención. Esta descripción debe interpretarse como que incluye uno o al menos uno y el singular también incluye el plural a menos que sea obvio que significa otra cosa.
A menos que se defina de otra manera, todos los términos y expresiones técnicos y científicos que se utilizan en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende habitualmente un experto en la materia a la que pertenece la presente invención. Aunque en la práctica o el ensayo de las realizaciones de la invención se pueden utilizar métodos y materiales similares o equivalentes a los que se describen en el presente documento, a continuación se describen métodos y materiales adecuados. En caso de conflicto, la presente memoria descriptiva, incluidas las definiciones, prevalecerá. Además, los materiales, métodos y ejemplos son únicamente ilustrativos y no se pretende que sean limitantes.
El Z-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (también conocido como Z-HFO-1336mzz o cis-HFO-1336mzz y que tiene la estructura cis-CF3CH=CHCF3), puede prepararse mediante métodos conocidos en la técnica, tal como por hidrodescloración del 2,3-dicloro-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno, como se describe en la publicación de solicitud de patente de EE. UU. n.° US 2009/0012335 A1.
Procesos para recuperar calor o convertir calor en energía mecánica
Para los fines de la presente invención, un ciclo de Rankine orgánico transcrítico se define como un ciclo de Rankine orgánico que extrae calor a una presión mayor que la presión crítica del fluido de trabajo utilizado en el ciclo.
La figura 1 muestra un esquema de una realización de acuerdo con la invención del sistema ORC para usar calor procedente de una fuente de calor. El intercambiador de calor de suministro de calor 40 transfiere el calor suministrado por la fuente de calor 46 al fluido de trabajo que ingresa al intercambiador de calor de suministro de calor 40 en fase líquida. El intercambiador de calor de suministro de calor 40 está en comunicación térmica con la fuente de calor (la comunicación puede ser por contacto directo u otro medio). En otras palabras, el intercambiador de calor de suministro de calor 40 recibe energía térmica de la fuente de calor 46 por cualquier medio conocido de transferencia térmica. El fluido de trabajo del sistema ORC circula a través del intercambiador de calor de suministro de calor 40, donde adquiere calor. Al menos una parte del fluido de trabajo líquido se convierte en vapor en el intercambiador de calor de suministro de calor (un evaporador en algunos casos) 40.
El fluido de trabajo ahora en forma de vapor se dirige al expansor 32, donde el proceso de expansión da como resultado la conversión de al menos una parte de la energía térmica suministrada desde la fuente de calor en energía mecánica, generalmente energía del eje. La potencia del eje se puede utilizar para realizar cualquier trabajo mecánico empleando disposiciones convencionales de correas, poleas, engranajes, transmisiones o dispositivos similares en función de la velocidad deseada y el par requerido. En una realización, el eje también se puede conectar a un dispositivo generador de energía eléctrica 30, tal como un generador de inducción. La electricidad producida se puede utilizar localmente o se puede suministrar a una red.
El fluido de trabajo todavía en forma de vapor que sale del expansor 32 continúa hacia el condensador 34, donde el rechazo adecuado de calor hace que el fluido se condense en un líquido.
También es deseable contar con un tanque de compensación de líquidos 36 ubicado entre el condensador 34 y la bomba 38 para garantizar que siempre haya un suministro adecuado de fluido de trabajo en forma líquida a la succión de la bomba. El fluido de trabajo en forma líquida fluye hacia la bomba 38 que eleva la presión del fluido para que pueda volver a introducirse en el intercambiador de calor de suministro de calor 40, completando así el circuito del ciclo de Rankine.
En una realización preferida de la invención, también se puede utilizar un circuito de intercambio de calor secundario que actúe entre la fuente de calor y el sistema ORC. En la figura 2, se muestra un sistema de ciclo de Rankine orgánico que emplea un circuito de intercambio de calor secundario. El ciclo de Rankine orgánico principal funciona como se describió anteriormente para la figura 1. El circuito de intercambio de calor secundario se muestra en la figura 2 de la siguiente manera: el calor de la fuente de calor 46' se transporta al intercambiador de calor de suministro de calor 40' utilizando un medio de transferencia de calor (es decir, un fluido del circuito de intercambio de calor secundario). El medio de transferencia de calor fluye desde el intercambiador de calor de suministro de calor 40' hacia la bomba 42' que bombea el medio de transferencia de calor de regreso a la fuente de calor 46'. Esta disposición ofrece otro medio de retirar el calor de la fuente de calor y enviarlo al sistema ORC. Esta disposición proporciona flexibilidad al facilitar el uso de diversos fluidos para una transferencia de calor sensible. De hecho, los fluidos de trabajo de la presente invención se pueden usar como fluidos del circuito de intercambio de calor secundario siempre que la presión en el circuito se mantenga en de la presión de saturación del fluido, o por encima de esta, a la temperatura del fluido en el circuito. Como alternativa, los fluidos de trabajo de la presente invención se pueden usar como fluidos del circuito de intercambio de calor secundario o fluidos portadores de calor para extraer calor de fuentes de calor en un modo de funcionamiento en el que se permite que los fluidos de trabajo se evaporen durante el proceso de intercambio de calor, generando así grandes diferencias de densidad de fluido suficientes para mantener el flujo de fluido (efecto de termosifón). Además, se pueden usar fluidos de alto punto de ebullición, tales como glicoles, salmueras, siliconas u otros fluidos prácticamente no volátiles para la transferencia de calor sensible en la disposición de circuito secundario descrita. Los fluidos con alto punto de ebullición pueden ser aquellos fluidos con puntos de ebullición de 150 °C o superiores. Un circuito de intercambio de calor secundario puede facilitar el mantenimiento de la fuente de calor o del sistema ORC, ya que los dos sistemas se pueden aislar o separar más fácilmente. Este enfoque puede simplificar el diseño del intercambiador de calor en comparación con el caso de tener un intercambiador de calor con una parte de alto flujo de masa/bajo flujo de calor, seguida de una parte de alto flujo de calor/bajo flujo de masa.
Los compuestos orgánicos a menudo tienen un límite superior de temperatura por encima del cual se producirá la descomposición térmica. El inicio de la descomposición térmica se relaciona con la estructura concreta de la sustancia química y, por lo tanto, varía para diferentes compuestos. Para acceder a una fuente de alta temperatura mediante intercambio de calor directo con el fluido de trabajo, se pueden tener en cuenta aspectos del diseño para el flujo de calor y el flujo de masa, como se ha mencionado anteriormente, para facilitar el intercambio de calor, mientras se mantiene el fluido de trabajo por debajo de su temperatura de inicio de la descomposición térmica. El intercambio de calor directo en tal situación generalmente requiere características mecánicas y de ingeniería adicionales que aumentan los costes. En dichas situaciones, un diseño de circuito secundario puede facilitar el acceso a la fuente de calor de alta temperatura mediante el control de las temperaturas y eludir los problemas enumerados para el caso del intercambio de calor directo.
Otros componentes del sistema ORC para la realización del circuito de intercambio de calor secundario son prácticamente los mismos que se describen en la figura 1. Como se muestra en la figura 2, la bomba de líquido 42' hace circular el fluido secundario (por ejemplo, medio de transferencia de calor) a través del circuito secundario para que entre en la parte del circuito en la fuente de calor 46' donde adquiere calor. El fluido luego pasa al intercambiador de calor 40', donde el fluido secundario cede calor al fluido de trabajo ORC.
Ciclos de Rankine orgánicos transcríticos
La presente invención se refiere a un proceso para recuperar calor de una fuente de calor, que comprende las siguientes etapas:
(a) comprimir un primer fluido de trabajo en fase líquida por encima de la presión crítica de dicho primer fluido de trabajo;
(b) hacer pasar dicho primer fluido de trabajo de la etapa (a) a través de un intercambiador de calor o un calentador de fluidos y calentar dicho primer fluido de trabajo hasta una temperatura en el intervalo de 200 °C a 250 °C, en donde dicho intercambiador de calor o dicho calentador de fluidos está en comunicación con dicha fuente de calor que suministra dicho calor;
(c) retirar al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado de dicho intercambiador de calor o calentador de fluidos;
(d) hacer pasar al menos una parte del primer fluido de trabajo calentado a un expansor,
en donde al menos parte de dicho calor se convierte en energía mecánica, y
en donde la presión sobre dicha al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado se reduce por debajo de la presión crítica de dicho primer fluido de trabajo, convirtiendo de este modo dicha al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado en un primer vapor de fluido de trabajo o en una primera mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo;
(e) hacer pasar dicho primer vapor de fluido de trabajo o dicha primera mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo desde dicho expansor a un condensador, en donde dicha al menos una parte de dicho vapor de fluido de trabajo o dicha mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo se condensa completamente en un segundo fluido de trabajo en fase líquida;
(f) opcionalmente, comprimir y mezclar dicho segundo fluido de trabajo en fase líquida con dicho primer fluido de trabajo en fase líquida en la etapa (a);
(g) repetir las etapas (a) a (f);
en donde dicho primer fluido de trabajo consiste en HFO-1336mzz-Z
Cabe señalar que a temperaturas de operación más altas, el cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzz-Z) en el fluido de trabajo puede sufrir una isomerización a su isómero trans, es decir, trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-buteno (HFO-1336mzz-E). Se descubrió sorprendentemente que dicha isomerización puede ser mínima incluso a temperaturas más altas, tales como 250 °C.
Cabe señalar que, si bien el fluido de trabajo en la descripción del proceso anterior se identifica como "primer" fluido de trabajo y como un "segundo" fluido de trabajo, debe entenderse que la diferencia entre los dos fluidos de trabajo es solo que el primer fluido de trabajo es el que ingresa al sistema<o>R<c>mientras que el segundo fluido de trabajo es el que ha pasado por al menos una etapa del proceso descrito anteriormente.
En una realización adecuada, la temperatura de funcionamiento en la entrada del expansor puede ser cualquiera de las siguientes temperaturas o estar dentro del intervalo (inclusive) definido por dos números cualquiera de los que aparecen a continuación:
200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 219, 220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 240, 241, 242, 243, 244, 245, 246, 247, 248, 249, 250 °C.
En una realización del anterior proceso, el fluido de trabajo en la etapa (a) se presuriza en el intervalo de 3 MPa a 10 MPa. En una realización adecuada, la presión de funcionamiento puede ser cualquiera de las siguientes presiones o estar dentro del intervalo (inclusive) definido por dos números cualquiera de los que aparecen a continuación:
3,0, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 4,0, 4,5, 5,0, 5,5, 6,0, 6,5, 7,0, 7,5, 8,0, 8,5, 9,0, 9,5 y 10,0 MPa.
En la primera etapa del sistema de ciclo de Rankine orgánico ("Organic Rankine Cycle", ORC) transcrítico, descrito anteriormente, el fluido de trabajo en fase líquida se comprime por encima de su presión crítica. La presión crítica de HFO-1336mzz-Z es de 2,903 MPa. En una segunda etapa, dicho fluido de trabajo se hace pasar a través de un intercambiador de calor para ser calentado a una temperatura más alta antes de que el fluido entre en el expansor, en donde dicho intercambiador de calor está en comunicación térmica con dicha fuente de calor. En otras palabras, el intercambiador de calor recibe energía térmica de la fuente de calor por cualquier medio conocido de transferencia térmica. El fluido de trabajo del sistema ORC circula a través del intercambiador de calor de suministro de calor donde adquiere calor.
En la siguiente etapa, al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado se retira de dicho intercambiador de calor. El fluido de trabajo se dirige al expansor, donde el proceso de expansión da como resultado la conversión de al menos una parte del contenido energético del fluido de trabajo en energía mecánica, a menudo energía del eje. La potencia del eje se puede utilizar para realizar cualquier trabajo mecánico empleando disposiciones convencionales de correas, poleas, engranajes, transmisiones o dispositivos similares en función de la velocidad deseada y el par requerido. En una realización, el eje también se puede conectar a un dispositivo generador de energía eléctrica, tal como un generador de inducción. La electricidad producida puede utilizarse localmente o suministrarse a la red. La presión sobre el fluido de trabajo se reduce por debajo de la presión crítica de dicho fluido de trabajo, convirtiendo así el fluido de trabajo en un primer fluido de trabajo en fase de vapor.
En la siguiente etapa, el fluido de trabajo, ahora en fase de vapor, pasa del expansor a un condensador, en donde el fluido de trabajo en fase de vapor se condensa al fluido de trabajo en fase líquida. Las etapas anteriores forman un sistema de circuito y se pueden repetir muchas veces.
Ejemplo 1 - ORC transcrítico: Expansión totalmente seca
La figura 5 muestra otra realización de la presente invención, donde se utiliza un ORC transcrítico. La figura 5 es un diagrama de presión-entalpía para el ciclo de esta realización. Las líneas sustancialmente verticales en el gráfico son líneas isentrópicas. Las líneas que son verticales en la mitad izquierda de la curva, pero que comienzan a mostrar desviación y curvatura en la mitad derecha del gráfico, son líneas isotérmicas. La línea discontinua en el lado izquierdo de la forma de cúpula es la línea de líquido saturado. La línea discontinua en el lado derecho de la forma de cúpula es la línea de vapor saturado. En la primera etapa, el fluido de trabajo se comprime (presuriza) por encima de la presión crítica del fluido de trabajo sustancialmente de forma isoentrópica. Luego se calienta en una condición de presión sustancialmente constante (isobárica) hasta una temperatura superior a su temperatura crítica. En la siguiente etapa, el fluido de trabajo se expande habitualmente de forma sustancialmente isentrópica. La temperatura del fluido se reduce durante la etapa de expansión por debajo de su temperatura crítica. El fluido al final de la etapa de expansión está en estado de vapor sobrecalentado. En la siguiente etapa, el fluido de trabajo se enfría y se condensa y se rechaza el calor y se reduce su temperatura. El fluido de trabajo pasa a través de dos límites de cambio de fase, la curva de vapor saturado, que se muestra en el lado derecho, y luego la curva de líquido saturado, en el lado izquierdo. El fluido de trabajo está en un estado líquido ligeramente subenfriado al final de esta etapa.
Ejemplo 2 - ORC transcrítico: Condensación parcial durante la expansión/vapor seco en la salida del expansor
La figura 6 muestra otra realización de la presente invención, donde se utiliza un ORC transcrítico. La figura 6 es un diagrama de presión-entalpía para el ciclo de esta realización. Las líneas sustancialmente verticales en el gráfico son líneas isentrópicas. Las líneas que son verticales en la mitad izquierda de la curva, pero que comienzan a mostrar desviación y curvatura en la mitad derecha del gráfico, son líneas isotérmicas. La línea discontinua en el lado izquierdo de la forma de cúpula es la línea de líquido saturado. La línea discontinua en el lado derecho de la forma de cúpula es la línea de vapor saturado. En la primera etapa, el fluido de trabajo se comprime (presuriza) por encima de la presión crítica del fluido de trabajo, generalmente de forma sustancialmente isentrópica. Luego se calienta en una condición de presión sustancialmente constante hasta una temperatura superior a su temperatura crítica.
La temperatura del fluido de trabajo es superior a su temperatura crítica sólo en la medida en que, en la siguiente etapa, cuando el fluido de trabajo se expande sustancialmente de forma isoentrópica y su temperatura se reduce, la expansión isentrópica sigue aproximadamente la curva de vapor saturado de tal manera que la expansión da como resultado una condensación parcial o nebulización del fluido de trabajo. Al final de esta etapa de expansión, no obstante, el fluido de trabajo está en estado de vapor sobrecalentado, es decir, su ubicación está en el lado derecho de la curva de vapor saturado.
En la siguiente etapa, el fluido de trabajo se enfría y se condensa y se rechaza el calor y se reduce su temperatura. El fluido de trabajo pasa a través de dos límites de cambio de fase, la curva de vapor saturado, que se muestra en el lado derecho, y luego la curva de líquido saturado, en el lado izquierdo. El fluido de trabajo está en un estado líquido ligeramente subenfriado al final de esta etapa.
Ejemplo 3 - ORC transcrítico: Expansión húmeda; Tetrada del expansor > Titira
La figura 7 muestra otra realización de la presente invención, donde se utiliza un ORC transcrítico. La figura 7 es un diagrama de presión-entalpia para el ciclo de esta realización. Las líneas sustancialmente verticales en el gráfico son líneas isentrópicas. Las líneas que son verticales en la mitad izquierda de la curva, pero que comienzan a mostrar desviación y curvatura en la mitad derecha del gráfico, son líneas isotérmicas. La línea discontinua en el lado izquierdo de la forma de cúpula es la línea de líquido saturado. La línea discontinua en el lado derecho de la forma de cúpula es la línea de vapor saturado.
En la primera etapa, el fluido de trabajo se comprime (presuriza) por encima de la presión crítica del fluido de trabajo, generalmente de forma sustancialmente isentrópica. Luego se calienta en una condición de presión sustancialmente constante hasta una temperatura sólo ligeramente superior a su temperatura crítica.
La temperatura del fluido de trabajo es superior a su temperatura crítica sólo en la medida en que, en la siguiente etapa, cuando el fluido de trabajo se expande, por lo general sustancialmente isentrópicamente, su temperatura se reduce y la expansión isentrópica es una expansión húmeda. Específicamente, el fluido de trabajo al final de la etapa de expansión es una mezcla de vapor y líquido.
En la siguiente etapa, el fluido de trabajo se enfría, la parte de vapor del fluido de trabajo se condensa y se rechaza el calor y se reduce su temperatura. El fluido de trabajo en una mezcla de vapor y líquido pasa a través de un límite de cambio de fase en la curva de líquido saturado. El fluido de trabajo está en un estado líquido ligeramente subenfriado al final de esta etapa.
Ejemplo 4 - ORC transcrítico: Expansión húmeda: Tentrada del expansor < Titira
La figura 8 muestra otra realización de la presente invención, donde se utiliza un ORC transcrítico. La figura 8 es un diagrama de presión-entalpía para el ciclo de esta realización. Las líneas sustancialmente verticales en el gráfico son líneas isentrópicas. Las líneas que son verticales en la mitad izquierda de la curva, pero que comienzan a mostrar desviación y curvatura en la mitad derecha del gráfico, son líneas isotérmicas. La línea discontinua en el lado izquierdo de la forma de cúpula es la línea de líquido saturado. La línea discontinua en el lado derecho de la forma de cúpula es la línea de vapor saturado.
En la primera etapa, el fluido de trabajo se comprime (presuriza) por encima de la presión crítica del fluido de trabajo, generalmente de forma sustancialmente isentrópica. Luego se calienta en una condición de presión sustancialmente constante hasta una temperatura inferior a su temperatura crítica.
En la siguiente etapa, el fluido de trabajo se expande, por lo general sustancialmente isentrópicamente, a un estado de menor presión y temperatura en el que forma una mezcla de vapor-líquido (expansión húmeda).
En la siguiente etapa, el fluido de trabajo se enfría, la parte de vapor del fluido de trabajo se condensa y se rechaza el calor. El fluido de trabajo está en un estado líquido ligeramente subenfriado al final de esta etapa.
Si bien los ejemplos anteriores muestran expansiones y presurizaciones sustancialmente isentrópica, isentálpica o isotérmicas, y un calentamiento o enfriamiento isobárico, otros ciclos en los que dichas condiciones isentrópicas, isentálpicas, isotérmicas o isobáricas no se mantienen, pero el ciclo se cumple de todos modos, están dentro del alcance de la presente invención.
Una realización de la presente invención se refiere al ciclo de fase variable o ciclo trilateral (Phil Welch y Patrick Boyle: "New Turbines to Enable Efficient Geothermal Power Plants", GRC Transactions, vol. 33, 2009). El fluido de trabajo líquido se presuriza y luego se calienta en un intercambiador de calor sin vaporización. El líquido presurizado calentado que sale del intercambiador de calor se expande directamente en un expansor de dos fases. El fluido de baja presión se condensa, cerrando el ciclo.
El fluido de trabajo de la presente invención se puede utilizar en un sistema ORC para extraer energía térmica y convertirla en energía mecánica a partir de fuentes de calor, tales como vapor de baja presión, fuentes de energía térmica de bajo grado, tales como el calor residual industrial, la energía solar, el agua caliente geotérmica, el vapor geotérmico de baja presión (mecanismos primarios o secundarios) o el equipo de generación de energía distribuida que utiliza pilas de combustible o motores primarios, tales como turbinas, microturbinas o motores de combustión interna. También se puede acceder al vapor a baja presión mediante un proceso conocido como ciclo de Rankine binario. Pueden encontrarse grandes cantidades de vapor a baja presión en numerosos lugares, tales como en plantas generadoras de energía eléctrica que funcionan con combustibles fósiles. El fluido de trabajo de la presente invención se puede adaptar para adaptarse a la calidad del refrigerante de la planta de energía (su temperatura), maximizando la eficiencia del ciclo binario.
Otras fuentes de calor incluyen el calor residual recuperado de los gases de escape de motores móviles de combustión interna (por ejemplo, motores diésel de camiones o ferrocarriles o barcos), motores de aeronaves, el calor residual procedente de los gases de escape de motores fijos de combustión interna (por ejemplo, generadores fijos de energía con motores diésel), el calor residual procedente de pilas de combustible, el calor disponible en plantas de calefacción combinada, de refrigeración y energía o calefacción y refrigeración urbana, el calor residual procedente de motores alimentados con biomasa, el calor procedente de quemadores de gas natural o gas metano o calderas alimentadas con metano o pilas de combustible de metano (por ejemplo, en instalaciones de generación de energía distribuida) que funcionan con metano procedente de diversas fuentes, incluidas biogás, gas de vertedero y metano de estratos de carbón, el calor procedente de la combustión de cortezas y lignina en fábricas de papel/celulosa, el calor procedente de incineradores, el calor procedente de vapor de baja presión en plantas de energía de vapor convencionales para impulsar ciclos de Rankine "de fondo", el calor geotérmico para ciclos de Rankine cuando el fluido de trabajo circula sobre el suelo (por ejemplo, plantas de energía geotérmica de ciclo binario), el calor geotérmico para ciclos de Rankine con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo del ciclo de Rankine y como portador de calor geotérmico que circula bajo tierra en pozos profundos, con el flujo impulsado en gran medida o exclusivamente por variaciones de densidad del fluido inducidas por la temperatura, conocido como "el efecto termosifón" (por ejemplo, véase Davis, A. P. y E. E. Michaelides: "Geothermal power production from abandoned oil wells", Energy, 34 (2009) 866-872; Matthews, H. B., patente de EE. UU. 4 142 108, 27 de febrero de 1979), calor solar procedente de conjuntos de paneles solares, incluidos conjuntos de paneles solares parabólicos, el calor solar procedente de plantas de energía solar concentrada, el calor extraído de los sistemas solares fotovoltaicos (PV) para enfriar el sistema PV y mantener una alta eficiencia del sistema PV. En otras realizaciones, la presente invención también utiliza otros tipos de sistemas ORC, por ejemplo, sistemas de ciclo de Rankine a pequeña escala (por ejemplo, 1-500 kw, preferentemente 5-250 kW) que utilizan microturbinas o expansores de desplazamiento positivo de pequeño tamaño (por ejemplo, Tahir, Yamada y Hoshino: "Efficiency of compact organic Rankine cycle system with rotary-vane-type expander for low-temperature waste heat recovery", Int'l. J. of Civil and Environ. Eng., 2:1 2010), ciclos de Rankine combinados, de múltiples etapas y en cascada, y sistemas de ciclo de Rankine con recuperadores para recuperar el calor del vapor que sale del expansor.
Otras fuentes de calor incluyen al menos una actividad asociada con al menos una industria seleccionada del grupo que consiste en: refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, oleoductos y gasoductos, industria química, edificios comerciales, hoteles, centros comerciales, supermercados, panaderías, industrias de procesado de alimentos, restaurantes, hornos de curado de pintura, fabricantes de muebles, moldeadores de plásticos, hornos de cemento, hornos de madera, actividades de calcinación, industria del acero, industria del vidrio, fundiciones, extracción de metales, aires acondicionados, refrigeración y calefacción central.
Ejemplos
Los conceptos descritos en el presente documento se describirán con más detalle en los siguientes ejemplos, que no limitan el alcance de la invención descrita en las reivindicaciones.
Ejemplo A
El ejemplo A, que no forma parte de la invención reivindicada, demuestra la generación de energía a partir del calor de escape de un motor diésel utilizando ciclos de Rankine con HFO-1336mzz-Z en condiciones subcríticas, en donde la temperatura de evaporación T<evap>es menor que la temperatura crítica del HFO-1336mzz-Z (TCT<_HFO-1336mzz-Z>= 171,28 °C).
La generación de energía mecánica a partir del calor extraído de los gases de escape de motores de combustión interna (por ejemplo, motores diésel) utilizando sistemas de ciclo de Rankine con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo se ilustra en los ejemplos siguientes. La potencia mecánica generada a través del ciclo de Rankine se suma a la potencia mecánica generada por el motor a partir de la combustión del combustible y aumenta la cantidad total de potencia mecánica generada por unidad de masa de combustible quemado.
El rendimiento del fluido de trabajo que comprende HFO-1336mzz-Z (CF<3>CH=CHCF<3>) se compara con el rendimiento del conocido fluido de trabajo HFC-245fa (CHF<2>CH<2>CF<3>).
Ejemplo A1: Funcionamiento a baja temperatura (Tevaporador = 132,22 °C)
Temperatura del evaporador (caldera): Tevaporador = 270 °F = 132,22 °C Temperatura del condensador: Condensador T = 130 °F = 54,44 °C
Sobrecalentamiento del vapor que entra al expansor: ATsobrecal
Subenfriamiento del líquido: ATsubenfr¡ = 14 °F = 7,78 °C
Eficiencia del expansor Hexp = 0,85
Eficiencia de la bomba Hbomba = 0,85
T l A1
La tabla A1 demuestra que el HFO-1336mzz-Z prácticamente iguala la eficiencia energética del HFC-245fa y, al mismo tiempo, ofrece un PCG mucho menor. Asimismo, el HFO-1336mzz-Z genera presiones de funcionamiento sustancialmente más bajas que el HFC-245fa. Sin embargo, la capacidad volumétrica del HFO-1336mzz-Z para generar energía, CAP, es inferior al HFC-245fa.
La eficiencia termodinámica del ciclo de Rankine que funciona con HFO-1336mzz-Z, un 11,41 %, es prácticamente igual a la del HFC-245fa en las mismas condiciones de funcionamiento del ciclo. La presión del evaporador con HFO-1336mzz-Z (1,41 MPa) es sustancialmente menor que con HFC-245fa (2,45 MPa). Se requiere un caudal volumétrico más alto en la salida del expansor para generar una tasa de potencia mecánica diana con HFO-1336mzz-Z que con HFC-245fa. De manera equivalente, se genera una menor cantidad de trabajo mecánico cuando circula una unidad de volumen de HFO-1336mzz-Z por el ciclo (311,86 kJ/m3) que de HFC-245fa (543,63 kJ/m3).
Ejemplo A2: Funcionamiento a alta temperatura (Tevannradnr = 155 °C)
El HFO-1336mzz-Z tiene una temperatura crítica más alta (véase la tabla A2) y genera presiones de vapor más bajas que el HFC-245fa. Como resultado, el HFO-1336mzz-Z puede permitir el funcionamiento del ciclo de Rankine orgánico subcrítico a temperaturas más altas que el HFC-245fa (véase la tabla A3).
Tabla A2: Punto crítico del HFO-1336mzz-Z en comparación con el HFC-245fa
O-1336mzz-Z HFC-245fa
Tcr 171,28 154
Per 2,903 3,650
- - = ° °
continuación
El HFO-1336mzz-Z se puede utilizar como fluido de trabajo para un ciclo de Rankine orgánico subcrítico que funciona con una fuente de calor que permite que el evaporador alcance una temperatura de 155 °C (es decir, más alta que la temperatura crítica del HFC-245fa). La tabla A3 muestra que una temperatura del evaporador de 155 °C produce una mejora sustancial en la eficiencia y la capacidad volumétrica para la generación de energía (en un 14,90 % y un 18,53 %, respectivamente) en comparación con una temperatura de evaporación de 132,22 °C.
Ejemplo A3: Funcionamiento a alta temperatura (Tevannradnr = 161,60 °C)
El HFO-1336mzz-Z genera presiones de vapor más bajas que el HFC-245fa a una temperatura determinada. Por lo tanto, para cualquier presión de trabajo máxima permisible del evaporador, el HFO-1336mzz-Z puede permitir el funcionamiento de ciclos de Rankine orgánicos a unas temperaturas del evaporador más altas que el HFC-245fa. La tabla A4 compara un ciclo de Rankine orgánico con HFO-1336mzz-Z y una temperatura del evaporador de 161,6 °C con un ciclo de Rankine orgánico con HFC-245fa y una temperatura del evaporador de 132,22 °C. Ambos ciclos funcionan con una presión de funcionamiento del evaporador de 2,45 MPa. El ciclo que funciona con HFO-1336mzz-Z consigue una mayor eficiencia energética (13,51 %) que con HFC-245fa (11,42 %).
- - - =
Ejemplo B
El ejemplo B demuestra la generación de energía a partir del calor de escape de un motor diésel utilizando ciclos de Rankine con HFO-1336mzz-Z en condiciones transcríticas.
Sorprendentemente, el HFO-1336-mzz-Z permanece químicamente estable a temperaturas sustancialmente más altas que su temperatura crítica (de 171,28 °C). Por lo tanto, el HFO-1336-mzz-Z puede permitir llevar a cabo ciclos de Rankine que aprovechan fuentes de calor con temperaturas superiores a 171,28 °C utilizando HFO-1336-mzz-Z como fluido de trabajo en estado supercrítico. El uso de fuentes de calor de temperatura más alta puede generar eficiencias energéticas de ciclo más altas y capacidades volumétricas para la generación de energía (en relación con el uso de fuentes de calor de temperatura más baja).
Cuando se utiliza un calentador de fluidos supercríticos en lugar del evaporador (o caldera) del ciclo de Rankine subcrítico convencional, se debe especificar la presión del calentador y la temperatura de salida del calentador (o, de manera equivalente, la temperatura de entrada del expansor). La figura 3 muestra la eficiencia energética de un ciclo de Rankine transcrítico que funciona con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo en función de la presión del calentador de fluidos supercríticos y la temperatura del fluido de trabajo en la entrada del expansor. Por ejemplo, el funcionamiento del calentador de fluidos supercríticos a una presión de 5 MPa y una temperatura de salida del calentador (o temperatura de entrada del expansor) de 225 °C logra una eficiencia energética del ciclo de Rankine del 15,5%. A temperaturas de entrada del expansor más altas, la máxima eficiencia se consigue con presiones de calentamiento cada vez más altas. Unas presiones de funcionamiento más altas en el calentador de fluidos supercríticos requerirían el uso de equipos más robustos.
A menudo, la temperatura de la fuente de calor disminuye durante el proceso de intercambio de calor. En el caso del funcionamiento del ciclo de Rankine subcrítico, la temperatura del fluido de trabajo es constante durante todo el proceso de evaporación por extracción de calor. El uso de un fluido supercrítico para extraer calor permite una mejor adaptación entre las diferentes temperaturas de la fuente de calor y del fluido de trabajo supercrítico en relación con el caso del funcionamiento subcrítico. Como resultado, la eficacia del proceso de intercambio de calor para el ciclo transcrítico puede ser mayor que la del ciclo subcrítico (véase Chenet al.,Energy, 36, (2011) 549-555 y las referencias citadas en el mismo).
Ejemplo B1: Ciclo de Rankine orgánico transcrítico con Transo entra = 200 o 250 °C
Tabla B1: Rendimiento de ciclos de Rankine orgánicos transcríticos con HFO-1336mzz-Z como fluido de
La tabla B1 muestra que un ciclo de Rankine que primero calienta HFO-1336mzz-Z a 3 MPa a 200 °C y luego expande el HFO-1336mzz-Z calentado hasta la presión de operación (0,21 MPa) del condensador a Tcond = 54,44 °C logra una eficiencia térmica del 14,2 % y una capacidad volumétrica para la generación de energía de 412,03 kJ/m3. Se puede lograr una eficiencia y una capacidad volumétrica aún mayores para la generación de energía cuando el fluido de trabajo, HFO-1336mzz-Z, se calienta hasta 250 °C a una presión de 6 MPa. El HFO-1336mzz-Z se mantiene suficientemente estable a 250 °C. Se logran mayores eficiencias y capacidades con los ciclos transcríticos en comparación con los ciclos subcríticos del ejemplo A. La tabla B2 compara el rendimiento de un ciclo de Rankine transcrítico con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo, con HFC-245fa para la misma presión del calentador de fluidos, temperatura de salida del calentador, temperatura del condensador, subenfriamiento del líquido, eficiencia del expansor y eficiencia del compresor de líquidos (es decir, bomba).
Tabla B2: Rendimiento de un ciclo de Rankine transcrítico con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo en
-
Ejemplo C1, que no forma parte de la invención reivindicada: ORC subcrítico con HFO-1336mzz-Z a una presión del evaporador de 2,18 MPa.
La tabla C1 muestra que el HFO-1336mzz-Z podría permitir llevar a cabo ciclos de Rankine orgánicos ensamblados con equipos de tipo HVAC de coste relativamente bajo y ampliamente disponibles que funcionan a presiones del evaporador moderadas (que no excedan aproximadamente 2,18 MPa) y, al mismo tiempo, ofrecen unas propiedades de seguridad, salud y medioambientales atractivas y eficiencias energéticas atractivas. El uso de equipos de bajo coste amplía sustancialmente la aplicabilidad práctica de los ORC (véase Joost J. Brasz, Bruce P. Biederman y Gwen Holdmann: "Power Production from a Moderate-Temperature Geothermal Resource", GRC Annual Meeting, 25-28 de septiembre de 2005; Reno, NV, EE.UU.). La tabla C1 muestra que la eficiencia energética que consigue el HFO-1336mzz-Z, un 15,51 %, es un 15,06 % superior a la eficiencia energética, un 13,48 %, que consigue el HFC-245fa.
Tabla C1: Propiedades de seguridad, salud, medioambientales y de rendimiento del ORC del HFO-1336mzz-Z ara una resión de eva oración i ual a 218 MPa en com aración con el HFC-245fa.
Ejemplo C2: Funcionamiento de ORC transcrítico con HFO-1336mzz-Z como fluido de trabajo
La eficiencia energética del ciclo de Rankine con una temperatura de entrada del expansor de 250 °C aumenta monótonamente con el aumento de la presión del calentador desde por encima de la presión crítica hasta 9 MPa, tanto para HFO-1336mzz-Z como para HFC-245fa. La presión del calentador seleccionada (9 MPa) en la tabla C2 es mayor que la presión máxima de trabajo de la mayoría de los equipos de tipo HVAC disponibles.
La tabla C2 muestra que el HFO-1336mzz-Z podría permitir que los sistemas de ciclo de Rankine transcrítico conviertan el calor disponible a temperaturas relativamente altas (250 °C) en energía con una eficiencia energética un 2,7 % mayor que el HFC-245fa (en las mismas condiciones de funcionamiento), ofreciendo al mismo tiempo propiedades ambientales y de seguridad más atractivas.
Las tablas C1 y C2 muestran que los sistemas de ciclo de Rankine transcrítico con HFO-1336mzz-Z, utilizados para convertir el calor disponible a temperaturas relativamente altas (250 °C) en energía, pueden lograr una eficiencia energética mayor que los ORC subcríticos que funcionan con HFO-1336mzz-Z.
Tabla C2: Rendimiento de un ORC transcrítico que funciona con HFO-1336mzz-Z a una presión del calentador de fluidos supercríticos de 9 MPa y una temperatura de entrada del expansor de 250 °C en
unidades HFO-1336mzz-Z HFC-245fa
P_calentador MPa 9 9
Texpn_entra °C 250 250
Tcond
continuación
Ejemplo C3, que no forma parte de la invención reivindicada: Presiones del calentador de fluidos supercríticos que maximizan la eficiencia energética de un ciclo de Rankine que funciona con HFO-1336mz-Z para determinadas temperaturas de entrada del expansor
La figura 4 muestra la eficiencia energética en función de la presión del calentador a diferentes temperaturas de entrada del expansor. Se descubrió sorprendentemente que la eficiencia energética aumentó con la presión del calentador a temperaturas de entrada del expansor más altas. Se descubrió que la eficiencia a 10 MPa para una temperatura del expansor de 250 °C era superior al 18 %.
Ejemplo C4, que no forma parte de la invención reivindicada: Estabilidad química del HFO-1336mzz-Z
La estabilidad química de HFO-1336mzz-Z en presencia de metales se analizó según la metodología de la prueba del tubo sellado de la norma 97-2007 de ANSI/<a>S<h>RAE. La cantidad de HFO-1336mzz-Z utilizada en las pruebas del tubo sellado tenía una pureza del 99,9864 por ciento en peso (136 ppmw de impurezas) y prácticamente no contenía agua ni aire.
Tubos de vidrio sellados, que contenían cada uno tres muestras de metal fabricadas con acero, cobre y aluminio sumergidas en HFO-1336mzz-Z, fueron envejecidos en un horno calentado a diferentes temperaturas hasta 250 °C durante 14 días. La inspección visual de los tubos después del envejecimiento térmico indicó líquidos transparentes sin decoloración u otro deterioro visible del fluido. Asimismo, no hubo cambios en el aspecto de las muestras de metal que indicaran corrosión u otra degradación.
La tabla C3 muestra las concentraciones medidas de iones fluoruro en las muestras de líquido envejecido. La concentración de iones fluoruro puede interpretarse como un indicador del grado de degradación del HFO-1336mzz-Z. La tabla C3 indica que la degradación de HFO-1336mzz-Z fue sorprendentemente mínima incluso a la temperatura más alta ensayada (250 °C).
Tabla C3: Concentración de iones fluoruro en muestras de HFO-1336mzz-Z después del envejecimiento a if r n m r r r n m n .
La tabla C4 muestra los cambios en la composición, cuantificadas por GCMS, de muestras de HFO-1336mzz-Z después del envejecimiento en presencia de acero, cobre y aluminio a diferentes temperaturas durante dos semanas. Incluso a la temperatura más alta analizada (250 °C), como resultado del envejecimiento solo aparecieron proporciones insignificantes de nuevos compuestos desconocidos.
Se prevé que el isómero trans de HFO-1336mzz, HFO-1336mzz-E, sea termodinámicamente más estable que el isómero cis, HFO-1336mzz-Z, en aproximadamente 5 kcal/mol. Sorprendentemente, a pesar de la importante fuerza impulsora termodinámica para la isomerización de HFO-1336mzz-Z al isómero trans más estable, los resultados medidos en la tabla C4 indican que el HFO-1336mzz-Z permaneció en gran medida en la forma isomérica Z (o cis) incluso a la temperatura más alta ensayada (250 °C). El efecto de la pequeña proporción (3022,7 ppm o 0,30227 por ciento en peso) de HFO-1336mzz-E que se formó después de dos semanas de envejecimiento a 250 °C sobre las propiedades termodinámicas del fluido de trabajo (HFO-1336mzz-Z) y, por lo tanto, en el rendimiento del ciclo, sería insignificante.
Tabla C4: Cambios en la composición de muestras de HFO-1336mzz-Z (cuantificados por GCMS) después del envejecimiento en presencia de muestras de acero, cobre y aluminio a diferentes temperaturas durante m n .

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso para recuperar calor de una fuente de calor (46) y generar energía mecánica, que comprende las etapas de:
(a) comprimir un primer fluido de trabajo en fase líquida;
(b) hacer pasar dicho primer fluido de trabajo de la etapa (a) a través de un intercambiador de calor o un calentador de fluidos (40), en donde dicho intercambiador de calor o dicho calentador de fluidos está en comunicación con dicha fuente de calor que suministra dicho calor;
(c) retirar al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado de dicho intercambiador de calor o calentador de fluidos;
(d) hacer pasar al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado a un expansor (32),
en donde al menos parte de dicho calor se convierte en energía mecánica, y
en donde la presión sobre dicha al menos primera parte de dicho primer fluido de trabajo calentado se reduce por debajo de la presión crítica de dicho primer fluido de trabajo, convirtiendo de este modo dicha al menos una parte de dicho primer fluido de trabajo calentado en un primer vapor de fluido de trabajo o en una primera mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo;
(e) hacer pasar dicho primer vapor de fluido de trabajo o dicha primera mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo desde dicho expansor a un condensador (34), en donde dicha al menos una parte de dicho vapor de fluido de trabajo o dicha mezcla de vapor y líquido de fluido de trabajo se condensa completamente a un segundo fluido de trabajo en fase líquida;
(f) comprimir y mezclar dicho segundo fluido de trabajo en fase líquida con dicho primer fluido de trabajo en fase líquida en la etapa (a);
(g) repetir las etapas (a) a (f);
caracterizado porqueel primer fluido de trabajo consiste en HFO-1336mzz-Z, y en la etapa (a), el primer fluido de trabajo en fase líquida se comprime por encima de la presión crítica de dicho primer fluido de trabajo; y en la etapa (b), dicho primer fluido de trabajo se calienta hasta una temperatura en el intervalo de 200 °C a 25o °C.
2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la presión a la que se presuriza el primer fluido de trabajo en la etapa (a) está en el intervalo de 3 MPa a 10 MPa.
3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho primer fluido de trabajo tiene un PCG de menos de 35.
4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho proceso que produce calor es al menos un procedimiento asociado con al menos una industria seleccionada del grupo que consiste en: refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, oleoductos y gasoductos, industria química, edificios comerciales, hoteles, centros comerciales, supermercados, panaderías, industrias de procesado de alimentos, restaurantes, hornos de curado de pintura, fabricantes de muebles, moldeadores de plásticos, hornos de cemento, hornos de madera, actividades de calcinación, industria del acero, industria del vidrio, fundiciones, extracción de metales, aires acondicionados, refrigeración y calefacción central.
5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un circuito intercambiador de calor secundario dispuesto entre dicho intercambiador de calor en la etapa (a) y dicho proceso que produce dicho calor.
6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 5, en donde dicho circuito de intercambio de calor secundario comprende hacer pasar un fluido secundario en comunicación tanto con dicho intercambiador de calor como con dicho proceso que produce dicho calor, transfiriendo de este modo dicho calor desde dicho proceso a dicho fluido secundario que, a su vez, transfiere dicho calor desde dicho fluido secundario a dicho primer fluido de trabajo en fase líquida.
7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 6, en donde dicho fluido secundario es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en: glicoles, siliconas y otros fluidos prácticamente no volátiles.
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