Sistemas de producción de potencia Tema 4. Ciclos binarios y Ciclos combinados

Study Notes

Un ciclo binario acopla dos ciclos de vapor, donde el calor de disipación de un ciclo es la entrada para el otro.
Se utilizan diferentes fluidos de trabajo, uno con características ventajosas a alta temperatura y otro con características complementarias en el extremo de baja temperatura.
El resultado es un ciclo combinado que tiene una alta temperatura de entrada de calor y una baja temperatura de disipación de calor, lo que aumenta la eficiencia térmica.

El fluido de trabajo debe tener una temperatura crítica elevada (Tc).
La presión de trabajo debe ser segura (no muy alta).
La temperatura del punto triple debe ser lo suficientemente baja para evitar la solidificación.
La presión de condensación no debe ser muy por debajo de la presión atmosférica.
Debe tener una elevada entalpía de evaporación para que la transferencia de calor sea isotérmica y no requiera altos caudales másicos.
La curva de saturación debe ser similar a una U invertida para evitar la formación de gotas a la salida de la turbina.
Debe tener alta conductividad térmica y otras propiedades como ser barato, no tóxico, inerte, no corrosivo y de fácil disponibilidad.

Mercurio: temperatura crítica 1477 ºC, presión a 1200 ºC 25000 kPa, temperatura de solidificación -39,0 ºC, entalpía de vaporización 59,3 kJ/mol, conductividad térmica 8,34 W/mºC.
Sodio: temperatura crítica 2300 ºC, presión a 1200 ºC 953 kPa, temperatura de solidificación 97,8 ºC, entalpía de vaporización 96,96 kJ/mol, conductividad térmica 141,0 W/mºC.
Potasio: temperatura crítica 1950 ºC, presión a 1200 ºC 1604 kPa, temperatura de solidificación 63,5 ºC, entalpía de vaporización 79,88 kJ/mol, conductividad térmica 102,4 W/mºC.

En un ciclo combinado, las temperaturas del foco frío y del foco caliente están muy separadas, lo que aumenta la eficiencia térmica del ciclo.
La utilización de dos fluidos de trabajo permite maximizar el rendimiento térmico al emplear para cada ciclo el fluido de trabajo que tiene mejores propiedades termofísicas en esa región.
La eficiencia térmica del ciclo combinado es mayor que la que tendría un ciclo simple que operase a las mismas condiciones de temperatura.

La relación para la energía transferida del ciclo de alta temperatura al de baja temperatura se obtiene aplicando los balances de masa y energía a un volumen de control que encierra el generador de vapor de recuperación de calor.
La eficiencia térmica del ciclo combinado se puede analizar utilizando balances de masa y energía, pero se requiere la segunda ley para evaluar el impacto de las irreversibilidades y las verdaderas magnitudes de las pérdidas.