Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: http://hdl.handle.net/11349/14181
Título : Diseño de un Sistema de Ciclo Rankine Orgánico Mediante el Aprovechamiento de Calor Residual Industrial Para la Producción de Mínimo 10 kW de Potencia
Autor: Borda Prieto, Christian Ivan
Castillo López, Jorge Ándres
Director de Tesis: López Martínez, Germán Arturo
Materias: INGENIERÍA MECÁNICA - TESIS Y DISERTACIONES ACADÉMICAS
GENERACIÓN DE ENERGÍA
RECURSOS ENERGÉTICOS RENOVABLES
DESARROLLO SOSTENIBLE
Palabras clave : Ciclo Rankine Órganico
Eficiencia
Estados Termodinámicos
Refrigerante
Intercambiador de Calor
Calor Residual
Fecha: 5-sep-2018
Abstract : In the present project, a design proposed was developed for a cogeneration system based on Organic Rankine Cycle (ORC onwards) with heat recovery of industrial waste gases from the TECSOL LTDA activated carbon plant. Initially, to select the appropriate Working Fluid, a Pugh Matrix with 15 possible fluids was used, which, according to the weight of certain thermodynamic characteristics, resulted in 3 refrigerants that fulfilled the work requirements in the proposed system (R601 , R123, R601a). The theoretical thermodynamic states of these three fluids were then calculated at different pressure ratios, giving the best result, after a performance analysis, of R123 with a pressure ratio of 1: 6.25, and with a yield of 10%; Subsequently, the temperature and mass flow interval of the waste exhaust gases in the TECSOL LTDA plant was determined, obtaining as a result that the temperature interval between the waste gases and the working fluid must be 240 ° C because, between the longer this interval, the area required in the evaporator will be smaller and its efficiency will increase. With respect to the mass flow, it was determined that there should be a minimum of 2.43 kg / s of the 8.33 kg / s available at the point before the hydrocyclone for the production of 10 kWe of power. For the design and selection of the ORC elements it was concluded that the evaporator requires a transfer area of ​​6 m2 with a number of 52 copper tubes with two steps and a length of 1.37 m, also presented an efficiency of 53% . The condenser requires a transfer area of ​​126 m2 with a number of 376 copper tubes divided into two steps and a length of 3.19 m and presented an efficiency of 40%. The expansion system was selected by means of a direct comparison method where both technical and economic criteria were evaluated among six possible alternatives (axial turbine, radial turbine, positive displacement expander, pallet expander, Screw Expander and Scroll Expander) resulting in better option a Scroll Expander, with an associated volumetric ratio of 1:8 and that has an efficiency of 70%. Likewise, a 10 kWe PMG synchronous generator with 220 V, 60 Hz at 900 RPM was selected. The pump selected is Grundfos brand model NB 40-315 / 336 axial suction that allows the pressure ratio calculated for the operation of the system of 1: 6.25 and that has an efficiency of 85%. The net efficiency of the cycle was 10%. Finally, a CAD model of the final ORC system was elaborated in order to outline a possible configuration of the equipment and its dimensions and an assembly diagram that shows the approximate maximum dimensions and the basic accessories that should compose the system is attached.
Resumen : En el presente proyecto se desarrolló una propuesta de diseño para un sistema de cogeneración basado en Ciclo Rankine Orgánico (ORC en adelante) con recuperación de calor de gases residuales industriales de la planta de carbón activado TECSOL LTDA. Inicialmente, para seleccionar el fluido de trabajo (Working Fluid) apropiado se utilizó una Matriz Pugh con 15 posibles fluidos que, según el peso de determinadas características termodinámicas, dio como resultado 3 refrigerantes que cumplieron con los requerimientos de trabajo en el sistema propuesto (R601, R123, R601a). Luego se calculó los estados termodinámicos teóricos de estos tres fluidos a diferentes relaciones de presión dando como mejor resultado, después de un análisis de rendimientos, el R123 con una relación de presión de 1:6.25, y con un rendimiento del 10 %; Posteriormente, se determinó el intervalo de temperatura y flujo másico de los gases residuales de escape en la planta TECSOL LTDA obteniendo como resultado que el intervalo de temperatura entre los gases residuales y el fluido de trabajo debe ser de 240°C debido a que, entre mayor sea este intervalo, el área requerida en el evaporador será menor y aumentará su eficiencia. Con respecto al flujo másico se determinó que debe ser mínimo de 2,43 kg/s de los 8,33 kg/s disponibles en el punto antes del hidrociclón para la producción de 10 kWe de potencia. Para el diseño y selección de los elementos del ORC se concluyó que el evaporador requiere un área de transferencia de 6 m2 con un número de 52 tubos de cobre con dos pasos y una longitud de 1,37 m, además presentó una eficiencia del 53 %. El condensador requiere un área de transferencia de 126 m2 con un número de 376 tubos de cobre divididos en dos pasos y una longitud de 3,19 m y presentó una eficiencia del 40 %. El sistema de expansión se seleccionó por medio de un método de comparación directa donde se evaluaron criterios tanto técnicos como económicos entre seis alternativas posibles (turbina axial, turbina radial, expansor de desplazamiento positivo, expansor de paletas, Screw Expander y Scroll Expander) resultando la mejor opción un Scroll Expander, con una relación volumétrica asociada de 1:8 y que cuenta con una eficiencia del 70 %. Así mismo se seleccionó un generador síncrono de 10 kWe PMG con 220 V, 60 Hz a 900 RPM. La bomba seleccionada es de marca Grundfos modelo NB 40-315/336 de aspiración axial que permite la relación de presión calculada para el funcionamiento del sistema de 1:6.25 y que cuenta con una eficiencia del 85 %. La eficiencia neta del ciclo fue del 10 %. Finalmente, se elaboró un modelo CAD del sistema ORC final con el objetivo de esquematizar una posible configuración del equipo y sus dimensiones y se anexa un diagrama de ensamble que muestra las dimensiones máximas aproximadas y los accesorios básicos que deberían componer el sistema.
URI : http://hdl.handle.net/11349/14181
Aparece en las colecciones: Ingeniería Mecánica

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