1. Introduccin

3. Anlisis termodinmico

4. rea de superficie del intercambiador de calor

5. Los anlisis econmicos y exergoeconomic

6. Optimizacin termodinmica

7. Resultados y discusin8. Conclusiones

Nomenclatura

Referencias

Figuras y tablas1. 2. Tabla 13. Tabla 24. Tabla 35. Tabla 46. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Tabla 516. 17. 18. PUBLICIDADNos disculpamos que no recibe ninguna alerta revista / libro de la serie en la actualidad.Estamos trabajando para solucionar esta situacin lo antes posible y se publicar un aviso cuando este haya sido resuelto.Ingeniera Trmica AplicadaVolumen 59, Issues 1-2, 25 de septiembre de 2013, Pages 435-444

Exergticos y exergoeconomic anlisis y optimizacin de ciclo orgnico Rankine geotrmica Rami Salah El-Emamun,b,,,, Ibrahim DincerunMostrar msDOI: 10.1016/j.applthermaleng.2013.06.005Recibe los derechos y contenidos

ReflejosAnlisis de energa y exerga se aplican a un ciclo orgnico Rankine geotrmica.Los anlisis econmicos y exergoeconomic son investigados y estudiados.Estudios paramtricos se realizaron en el diseo ptimo de la fuente geotrmica a 165 C.Las velocidades de flujo, temperatura pinch y el costo de destruccin de exerga se estudian en el diseo ptimo.El rendimiento ptimo para diferentes valores de temperatura fuente caliente se investiga.

AbstractoEn este trabajo se presenta un anlisis termodinmicos y econmicos en un ciclo orgnico geotrmico regenerativo novela de tipo Rankine basado en dos conceptos de energa y exerga.Un estudio de optimizacin tambin se lleva a cabo basado en el parmetro de rea de superficie total de intercambiadores de calor.Se realizan estudios paramtricos para investigar el efecto de los parmetros de funcionamiento, y sus efectos sobre el sistema eficiencias energticas y exergticos y parmetros econmicos son investigados.Los valores de eficiencia de energa y exerga se encuentran para ser 16,37% y 48,8%, respectivamente, para las condiciones ptimas de operacin en un rango de temperatura rechazo razonable del agua geotrmica de 78,49 C a 116,2 C.El caudal msico del fluido orgnico, agua de refrigeracin y agua geotrmica proporcionada se calculan para una potencia neta instalada de 5 MWe.Palabras clave Exerga; Exergoeconomic; Optimizacin; Eficiencia; Ciclo orgnico de Rankine; La energa geotrmica

1. IntroduccinEn los ltimos aos, ha habido un aumento significativo en la recuperacin de calor de bajo grado y de mercado de la energa renovable.La energa geotrmica se considera una de las fuentes ms fiables y relativamente menos costosas de energa renovable.Para utilizar esta energa;ciclo orgnico de Rankine (ORC) es una tecnologa prometedora para la conversin de esta energa en energa til.ORC tambin tiene la ventaja de ser simple en la construccin, los componentes del sistema estn disponibles, y el ser de alta flexibilidad y seguridad[1],[2],[3]y[4].Muchas investigaciones han llevado a cabo para estudiar la evaluacin de la ejecucin del ciclo de Rankine orgnico que se basa en la fuente de energa geotrmica.Los investigadores estudiaron la eleccin de un fluido de trabajo adecuada, condiciones reinyeccin ptima del fluido geotrmico, la capacidad de la cogeneracin y el anlisis econmico de un sistema de este tipo.Uno de los principales retos en el estudio de ORC es la eleccin del fluido de trabajo y el diseo del ciclo para lograr el mayor rendimiento[5]y[6].Hettiarachchi et al.[7]estudi el rendimiento de ORC usando diferentes fluidos de trabajo puros.Karellas y Schuster[8]simulan los procesos de la ORC usando fluidos supercrticos y normales, y estudiaron la variacin de la eficiencia del sistema en diversas aplicaciones.Badr et al.[9]estudi las caractersticas del fluido de trabajo ideal para un ORC operando entre 120 C y 40 C.Un anlisis del estudio y optimizacin comparativo fue realizado por Shengjun et al.[13]sobre la geotrmica subcrtico y transcrtico basado ORC.Ellos encontraron que entre los diferentes fluidos de trabajo de diecisis que R125 llev a un excelente desempeo econmico y ambiental para un ciclo transcrtico y R123 dio las mayores eficiencias de energa y exerga para un ciclo supercrtico.Tchanche et al.[11]mostr un aumento del 7% en la eficiencia energtica de un ORC integrado con un sistema de desalinizacin de smosis inversa cuando se usa un regenerador.El anlisis de optimizacin de ORC se realiza en base a la superficie del intercambiador de calor y la destruccin de exerga en intercambiadores de calor como el parmetro principal del estudio en diferentes estudios[7],[12]y[13].Algunas investigaciones se realiza para analizar los sistemas ORC geotrmicos econmica y exergoeconomically[1],[14]y[15].Ellos estudiaron el efecto de diferentes parmetros de funcionamiento de la ORC y las condiciones del fluido geotrmico en las tasas de los costos asociados con la energa y exerga arroyos a travs del sistema.En el presente trabajo, se lleva a cabo una investigacin de las actuaciones energticas y exergticos de un ORC regenerativo con una fuente de calor geotrmica.Anlisis econmicos y exergoeconomic integral tambin se llevan a cabo para estudiar, junto con una aplicacin, para una condicin ptima de diseo que se realiza sobre la base de la superficie de los intercambiadores de calor con respecto a la potencia de salida til del sistema.2. Descripcin del sistemaEl sistema de ciclo de Rankine orgnico analizado en este trabajo est representado por el diagrama esquemtico mostrado en lafigura.1. Se compone principalmente de un ciclo de Rankine componentes, a saber, el evaporador o el generador de vapor con una seccin sobrecalentador, un expansor, un condensador de refrigeracin por agua y una bomba de fluido orgnico.El sistema tiene un intercambiador de calor regenerativo como parte del sistema.Bombas de circulacin de agua de refrigeracin de fluidos geotrmicos y se integran en el anlisis del sistema.El fluido orgnico pasa a travs del evaporador y extrae el calor del fluido geotrmico.Sobrecalentamiento se proporciona al fluido orgnico y luego se dirige al expansor de donde se obtiene un trabajo til.Existe El expansor corriente intercambia su calor con la corriente de alimentacin en fro despus de la bomba del sistema que facilitan una mejor utilizacin de la energa suministrada y se espera que aumente el rendimiento general del sistema[11].Sin embargo, adems de aumentar el costo de capital total del sistema.El fluido orgnico entra en el condensador donde se pierde su calor al agua de refrigeracin y que es subenfriado antes de entrar en la bomba del sistema.Tabla 1muestra los parmetros de funcionamiento y supuestos del sistema considerado.

La figura.1.Diagrama esquemtico del ciclo de Rankine orgnico regenerativa geotrmica.Opciones FiguraTabla 1.Las especificaciones y parmetros de funcionamiento del sistema considerado.ParmetroDatos

Fluido orgnicoEl isobutano

Potencia bruta5 MWel

Eficiencia del generador elctrico97%

Expander rendimiento isentrpico89%

Bomba rendimiento isentrpico95%

Temperatura de entrada del agua geotrmica160-175 C

Temperatura de entrada del agua15 C

Eficacia Regenerador85%

Opciones de la tabla3. Anlisis termodinmicoEl sistema pre-descrita es simulado por un cdigo desarrollado usando Engineering Equation Solver (EES).Los siguientes supuestos se hacen en los anlisis de los subsistemas del sistema general y:-Todos los procesos y subsistemas son el estado de equilibrio.-El expansor y todas las bombas son dispositivos adiabticas.-Insignificantes prdidas de presin se producen en cualquiera de los dispositivos de ciclo de Rankine orgnico y su sistema de tuberas.-La temperatura de estado muertos es de 288 K para el caso base de todos los clculos de anlisis de exerga.-Enfriar la temperatura del agua del condensador es de 288 K.El balance de energa, sobre la base de la primera ley de la termodinmica, se aplica a cada uno de los componentes del sistema.La forma de estado de equilibrio general de la ecuacin de balance de energa para cualquiera de los componentes se puede escribir de la siguiente manera:ecuacin(1)

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dondeyrepresentar a la transferencia de calor y energa de trabajo de cruzar los lmites de los componentes yyhrepresentan la tasa de flujo de masa y la entalpa especfica de las corrientes del fluido de trabajo del sistema.Anlisis exergtico se ha convertido en una de las herramientas ms importantes para el diseo y anlisis de sistemas trmicos[16].Se basa en la segunda ley de la termodinmica.Exerga es una medida de la salida del estado del sistema desde el estado de medio ambiente y se considera tambin como una medida de la calidad de la energa[17].Puede ser termodinmicamente define como el mximo trabajo til terica que se puede obtener desde el sistema cuando interacta a un equilibrio con el medio ambiente que rodea[5],[16],[17]y[18].Aplicando el balance de exerga en los componentes del sistema en estado estacionario, la destruccin de exerga en cada componente se puede calcular de la siguiente manera:ecuacin(2)

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donderepresenta la tasa de destruccin de exerga que se produce en el dispositivo dei ,yrepresentar a la tasa de exerga debido al trabajo y transferencia de calor a travs de los lmites del sistema, y el trminorepresenta la tasa de exerga realizado con el flujo dentro y fuera del sistema.La transferencia de exerga debido al calor y el trabajo se puede expresar de la siguiente manera:ecuacin(3)

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ecuacin(4)

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dondeToes la temperatura de estado muertos que describe el estado en el que el sistema est en equilibrio sin restricciones con el medio ambiente y que no pueden someterse a cualquier cambio de estado a travs de cualquier tipo de interaccin con el medio ambiente[18]y[19]yTes la temperatura en el lmite en el que se produce la transferencia de calor.La destruccin de exerga puede tambin calcul sobre la base de la generacin de entropa en cada componente:ecuacin(5)

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dondedenota la tasa de generacin de entropa en el componenteiy se determina a partir de la aplicacin de la ecuacin de balance de entropa para un funcionamiento en estado estacionario en cada componente del sistema de la siguiente manera:ecuacin(6)

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La relacin de la destruccin de exerga para cada componente del sistema se define como la tasa de destruccin de exerga se produce en un cierto componente con respecto a la destruccin total de exerga de todo el sistema:ecuacin(7)

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El desempeo general del sistema de la termodinmica se puede medir por la eficiencia de la energa y exerga.La eficiencia energtica se puede calcular de la siguiente manera:ecuacin(8)

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Y la eficiencia de exerga se define como la salida de exerga til del sistema, que es la ganancia-red, sobre la exerga de la entrada utilizada para el sistema:ecuacin(9)

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Tambin se puede expresar como una funcin de la tasa de destruccin de exerga en los componentes del sistema de la siguiente manera:ecuacin(10)

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Adems, nuestro objetivo es evaluar la dimensin de la sostenibilidad del sistema.Se sabe que el desarrollo sostenible requiere un uso eficiente de los recursos disponibles, adems de utilizar los recursos energticos limpios y asequibles.Anlisis exergtico parece ser una herramienta importante para los sistemas de energa que pueden contribuir a mejorar el desarrollo sostenible.Una evaluacin simple es posible a travs del ndice de sostenibilidad, que se define como una funcin de la eficiencia exerga[20],[21]y[22]:ecuacin(11)SI = 1 / (1-)GireMathJaxen

4. rea de superficie del intercambiador de calorEl diseo del evaporador y el condensador se discuten en esta seccin.El intercambiador de calor coeficiente de transferencia de calor global regenerativa se toma en relacin con los que est para el evaporador y el condensador.El evaporador, condensador y el intercambiador de calor regenerativo en el sistema propuesto son la cscara y el tipo de placa de intercambiadores de calor[7].Este tipo de intercambiadores de calor coincide bien con el caso existente debido a su alto coeficiente de transferencia de calor que resulta en ms compacidad, especialmente con las temperaturas relativamente bajas de las fuentes de calor en el ciclo de Rankine propuesto regenerativa geotrmica orgnica[7]y[23].Las especificaciones y propiedades del material de los intercambiadores de calor de carcasa y placa utilizados en este anlisis se dan en laTabla 2.Tabla 2.Especificaciones de intercambiadores de calor.Elemento

La transferencia de calor longitud de la superficie, mm1465

Ancho de la placa de transferencia de calor, mm605

Espacio libre a lado del fluido orgnico, mm5

Espacio libre a lado del agua, mm5

Paso de la flauta, mm1

Profundidad de la flauta, mm1

Material de la placaTitanio

Espesor de la chapa, en mm0.9

Nmero de placas200

Fuente:[6],[23]y[24].Opciones de la tablaEl mtodo logartmica diferencia media de temperatura (LMTD) se utiliza en el anlisis de los intercambiadores de calor y el clculo de la superficie de transferencia de calor.La tasa de transferencia de calor se describe comoecuacin(12)

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dondeAes el rea de superficie del intercambiador de calor yUes el coeficiente global de transferencia de calor que se calcula de la siguiente manera:ecuacin(13)

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dondeDEes el coeficiente de transferencia de calor de conveccin del fluido orgnico,Wrepresenta el coeficiente de transferencia de calor por conveccin para la fuente de calor en el evaporador o el agua de refrigeracin en el condensador.Tambin,tykson el espesor y la conductividad trmica del material de la placa de intercambiador de calor.Los coeficientes de transferencia de calor para el lado de agua fra y caliente y el lado fluido orgnico se determinan utilizando correlaciones empricas de la literatura[6],[10],[25],[26],[27]y[28]basado en el clculo de Nusselt nmero comoecuacin(14)Nu= Deq / kGireMathJaxen

dondeD eqindica el dimetro aproximado que se aproxima a ser igual a dos veces el espacio libre de la placa de intercambiador de calor[23].Para el coeficiente de transferencia de calor del lado de agua en los intercambiadores de calor del sistema, la siguiente correlacin se utiliza para calcular el nmero de Nusselt[6]:ecuacin(15)Nu= 0.04Re0.8Pr0.33GireMathJaxen

dondeRe es el nmero de Reynolds yPr es el nmero de Prandtl.La velocidad del agua como para tanto fuente geotrmica y agua de refrigeracin se calcula como sigue:ecuacin(16)

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dondees la tasa de flujo volumtrico de agua,Wy xson la anchura de la placa y la holgura en el lado del agua, respectivamente.Nrepresenta el nmero de las placas.La potencia requerida para la bomba de circulacin de agua geotrmica est representada simplemente como una funcin de la cada de presin de la siguiente manera:ecuacin(17)

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dondees la eficiencia de la bomba y Prepresenta la cada de presin que se calcula usando la siguiente frmula:ecuacin(18)

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Aqu,Fes el factor de friccin yLes la longitud de la placa de intercambiador de calor.Para el coeficiente de transferencia de calor de fluido orgnico en el evaporador, teniendo en cuenta isobutano como el fluido de trabajo en el ciclo de Rankine orgnico, se utilizan las siguientes correlaciones[6]y[7]ecuacin(19)

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dondeH. representa la relacin entre el calor sensible y el calor latentefpes el factor de presin y se presenta como una funcin de la presin crtica y la presin atmosfrica de la siguiente manera:ecuacin(20)

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Aqu,Xen la correlacin de Nusselt es un parmetro adimensional que se calcula de la siguiente manera:ecuacin(21)

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dondeMes un valor constante igual a 6.129 m2/ s N,Deqes el dimetro equivalente en el lado del fluido orgnico del evaporador y es igual al doble de la distancia de la placa en el lado del fluido orgnico.Para el coeficiente de transferencia de calor de conveccin del fluido orgnico en el condensador, se utiliza la siguiente correlacin[24]y[26]:ecuacin(22)Nu= 2,018 (Bo L)-0,1 (lGr lPr/ H)1/4GireMathJaxen

dondeBoes el nmero de Bond,Les un valor adimensional que es funcin de los parmetros de la placa de intercambiador de calor y se calcula como sigue:ecuacin(23)

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dondep,Ly hson el campo de las acanaladuras en la placa de intercambiador de calor, la longitud de transferencia de calor y la profundidad de las acanaladuras, respectivamente.El Nmero de Bond (Bo) y nmero de Grashof (Gr) son nmeros adimensionales y se definen comoecuacin(24)Bo= g l p2/ GireMathJaxen

ecuacin(25)

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5. Los anlisis econmicos y exergoeconomicEl anlisis econmico del sistema se lleva a cabo teniendo en cuenta los componentes adquiridos y el coste del equipo, operacin y mantenimiento (O & M) costo y el costo de la energa de entrada.El anlisis exergoeconomic (termoeconmico) es el estudio de los principios econmicos teniendo en cuenta el anlisis de exerga del sistema bajo estudio.El anlisis termoeconmico se realiza mediante la aplicacin de la ecuacin de balance de costos en los componentes del sistema, donde los vapores que cruzan las fronteras componentes se expresan en forma de tasas de costo exergtico de estas corrientes.Esta ecuacin se puede formular en una forma general de la siguiente manera:ecuacin(26)

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dondedenota la tasa de costo total de los flujos de exerga a travs de un componente especfico en el sistema, y sus valores se expresan en $ / h.Su definicin es la siguiente:ecuacin(27)

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ecuacin(28)

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ecuacin(29)

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ecuacin(30)

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Aqu,cdenota el costo promedio por unidad de exerga y se expresa en $ / GJ.Los valores de tasa de exerga en estas ecuaciones se determinan con base en el anlisis de exerga del sistema.La tasa total de costo asociado con los productos del sistema propuesto se expresa en la siguiente ecuacin como una funcin de la tasa total de costo del combustible,y la tasa de costo de inversin anual de los componentes del sistema,, Como sigue:ecuacin(31)

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La tasa interanual de los costes de inversin de cualquier componente, Se calcula para el sistema propuesto.Es la suma de la tasa de costos de inversin de capital anual y la tasa anual de costos de operacin y mantenimiento.La inversin de capital total (TCI) es considerada en dos partes;costo directo de capital (DCC) y el costo de capital indirecta (ICC).El costo directo de capital para este estudio es el costo del equipo de compra (PEC).Los componentes y el equipo se expresan como funcin de algunos parmetros de diseo.El costo de capital indirecta se puede expresar en funcin de los costes de adquisicin de equipos o como una funcin de los parmetros de diseo y condiciones de operacin[29].En el siguiente anlisis, el costo de la compra de equipo se calcula como funcin de los parmetros de diseo de componentes.Las correlaciones utilizadas en este anlisis se presentan en la forma de trabajo de salida de la turbina, las bombas de alimentacin y los intercambiadores de calor de superficie.Estas correlaciones se forman sobre la base de los datos de fabricacin y dar a los costos en dlares de EE.UU.[8],[14]y[30].Para el expansor de fluido orgnico, la siguiente correlacin se utiliza para calcular el costo de la compra:ecuacin(32)

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donde el trabajo de expansin,, Se proporciona en kW.El costo de compra de los intercambiadores de calor, es decir;evaporador, condensador y el intercambiador de calor regenerativo, se calcula utilizando la siguiente correlacin como una funcin del rea de superficie de transferencia de calor:ecuacin(33)log10(PECHE) = 4.6656-0.1557log10(A) 0.15472[log10(A)]GireMathJaxen

dondeAes el rea de superficie del intercambiador de calor en m2.Los precios de compra de la bomba de ciclo de Rankine orgnico y geotrmica bomba de circulacin del fluido se determinan mediante la aplicacin de la siguiente frmula, que es una funcin de la potencia de la bomba:ecuacin(34)

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La inversin de capital total (TCI) se calcula para cada componente como 6.32 veces el costo del equipo de compra segn lo dado por Bejan et al.[16].El costo de cada equipo especfico de O & M se toma como 20 a 25% del costo de la compra de equipo[16].Los costos de combustible y los costos de O & M estn expuestos a la escalada de costos durante los aos de funcionamiento.Los valores normalizado de estos gastos se obtienen utilizando el factor levelization constante escalada (CELF).Este factor enlaza los clculos de los gastos en el primer ao a una renta vitalicia equivalente[16].ecuacin(35)

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dondekes funcin del coste efectivo anual de la tasa de dinero,ieffy la tasa nominal escalada,rn, y CRF es el factor de recuperacin de capital.Estos factores se aplican a el coste de combustible y costes de O & M y que se definen como sigue[16]:ecuacin(36)

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ecuacin(37)

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dondenes el nmero de aos, los valores deiFEPyRnse dan en laTabla 3.Tabla 3.Asumido datos econmicos para la elaboracin de modelos econmicos y exergoeconomic.Constante Econmico

Costo efectivo anual mnimo de dinero,ieff12%

ndice de escalamiento nominal,rn5%

La vida econmica,n20 aos

Horas de operacin al ao,7000 h

Opciones de la tablaLa tasa anual de coste de inversin de los componentes que se utiliza en la ecuacin del balance termoeconmico se calcula basndose en el tiempo de funcionamiento del componente expresado en horas.La tasa de coste del combustible deber expresarse en este estudio como la suma de la tasa de costo total de la energa elctrica para la bomba geotrmica y los valores nivelados de la tasa de costo de inversin anual de la perforacin y la bomba de circulacin geotrmica[14]y[15 ].El costo de perforacin puede ser calculado como un porcentaje de la inversin total de capital.Oscila entre el 25% y el 40% y alrededor del 70% de la TCI para las plantas de alta temperatura y plantas bajas de temperatura, respectivamente.Tambin se puede representar como funcin del expansor de trabajo producido.Para este estudio, el costo de perforacin se toma como 250 $ / kW de potencia til producida[31],[32]y[33].La tasa de coste de la destruccin de exerga en cada componente se calcula con respecto al coste unitario del producto de este componente de la siguiente manera:ecuacin(38)

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donde el costo unitario del producto componente se calcula que los costos unitarios de la exerga asociada con los productos de este componente.Los valores de los costos unitarios de los flujos de exerga se calculan a partir de la ecuacin de balance de costos termoeconmico y las tasas de destruccin de exerga se proporcionan desde el anlisis de la termodinmica del sistema.El factor exergoeconomic,f , y la diferencia de costo relativo,r , se determinan para cada uno de los componentes del sistema de la siguiente manera[16]:ecuacin(39)r = (cP-CF) / cFGireMathJaxen

ecuacin(40)

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dondeC PyC Fson el coste unitario de la exerga asociada con los productos de componentes y de combustible, respectivamente, y que se calculan para cada componente del sistema de la siguiente manera:ecuacin(41)

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ecuacin(42)

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dondeyse refiere a la tasa de coste de las corrientes de producto y de combustible a travs de un cierto componente, respectivamente, yyson la tasa de exerga de las corrientes de producto y de combustible de ese componente, respectivamente.6. Optimizacin termodinmicaEl rendimiento del ciclo de Rankine orgnico propuesto se optimiza el uso de un rea de superficie de intercambiador de calor basado funcin objetivo[7],[10]y[13].La funcin objetivo utilizada en este estudio se define como la relacin de la superficie total de los intercambiadores de calor para la potencia de salida til de la siguiente manera:

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dondeA tes el rea de superficie de transferencia de calor total de los intercambiadores de calor del sistema en m2, yes la potencia neta instalada kW.En el proceso de optimizacin, la funcin objetivo se minimiza teniendo en cuenta el mtodo de mtrica variable con la variacin de la presin del condensador y los valores de temperatura en la entrada del expansor y salida del condensador como las variables de decisin.Sobrecalentamiento y subenfriamiento son considerados.La temperatura del fluido geotrmico rechazado est dispuesta para ser no menos de 80 C[12].7. Resultados y discusinUn anlisis termodinmico completo basado en la primera y segunda ley se realiza en el sistema mostrado enla figura.1. Las ecuaciones de balance de masa, energa, entropa y exerga se aplican en cada uno de los componentes del sistema en el rgimen establecido.Los diseos ptimos de la ORC en cuatro valores diferentes de la temperatura de entrada del agua geotrmica se presentan en laTabla 4. Los clculos de la tasa de flujo msico del fluido orgnico, se calcula el correspondiente fluido geotrmico y refrigeracin por agua.Los valores de temperatura en la entrada de la turbina y la cantidad de subenfriamiento de la salida del condensador tambin se calculan y se presentan enla Tabla 4. Los resultados enla Tabla 4muestran que la eficiencia de exerga disminuye gradualmente despus de aumentar la temperatura de la fuente geotrmica ms de 165 C, basado en los valores de temperatura ensayadas y los valores de los parmetros de funcionamiento ptimos.El correspondienteT-sdiagrama del ciclo de Rankine orgnico con la geotrmica y agua de refrigeracin se presenta enla figura.2. Este diagrama es para el caso cuando la temperatura geotrmica es a 165 Clas Figs.3y4muestran el perfil de temperatura con el cambio total entalpa del fluido orgnico para el evaporador y el condensador, respectivamente.La temperatura pellizco se muestra para ser tomado en la entrada de la seccin de flujo de dos fases del fluido orgnico en el evaporador a la condicin de lquido saturado, y en la seccin de entrada del flujo de dos fases en el condensador a la condicin de vapor saturado de la fluido orgnico.Tabla 4.Resultados de optimizacin para el funcionamiento del sistema a diferentes temperaturas de origen geotrmico.Los parmetros de funcionamiento y diseoTemperatura de la fuente geotrmica

160 C165 C170 C175 C

Thf, cabo, C116.278.4984.3488.72

Tcf, cabo, C28.5129.3327.8328.23

Tcd, C34.2635.0535.1334.98

Tsubenfriamiento, C4.6313.881.8742.704

Tsobrecalentamiento, C17.237.19712.5115.47

Texp,, en, C146.1136.1141.4144.3

Tpellizco, cd, C6.1075.9577.7367.196

Tpellizco, ev, C12.095.3476.7019.661

Uncd, m2740.6810.1639.6703.6

Aev, m2415,1390.6415.5398.6

ACHE, m2149.2124.8152.4168

Atot, m21305132612081270

cp, $ / GJ99.6486.3983.6887.16

, $ / H5379472345544738

,%28.2748.847.4946

,%17.4816.3717.0417.33

Optar0.25580.25980.23670.249

, En kg / s422.6432.7460,4437.8

, En kg / s154.584.3681.5979.53

, En kg / s70.5678.0674.1572.24

Opciones de la tabla

La figura.2.T-sdiagrama del ciclo de Rankine orgnico.Opciones Figura

La figura.3.Diagrama de temperatura-entalpa para el evaporador al diseo ptimo para la temperatura del fluido geotrmico a 165 C.Opciones Figura

La figura.4.Diagrama de temperatura-entalpa para el condensador al diseo ptimo para la refrigeracin de la temperatura de entrada de agua a 15 C.Opciones FiguraLos resultados mostrados enla figura.5,. Fig.6,. Fig.7,. Fig.8,. Fig.9,. Fig.10,. Fig.11,. Fig.12yla fig.13representan el estado ptimo rendimiento a la presin del evaporador de 33 bar y temperatura de entrada de 165 C para el agua geotrmica.El efecto de la temperatura de entrada del expansor en la destruccin de exerga de los componentes ORC se demuestra enla figura.5. La destruccin de exerga se produce en el condensador, lo que representa alrededor del 38% de la destruccin total de exerga en el sistema, disminuye con el aumento de la temperatura de entrada del expansor.La destruccin de exerga evaporador aumenta con el aumento de temperatura de entrada del expansor hasta que se alcanza un mximo a aproximadamente 10 C sobre la temperatura de saturacin de la presin de funcionamiento del evaporador y luego empieza a disminuir.El intercambiador de calor regenerativo tiene un porcentaje considerable de las destrucciones totales de exerga en el sistema y aumenta en una forma lineal con el aumento de la temperatura de entrada del expansor.Tambin se muestra la total destruccin de exerga en el ORC.Fig.6muestra el efecto de la presin del evaporador en la destruccin de exerga que se produce en los componentes del sistema ORC.La temperatura de sobrecalentamiento se mantiene constante en el valor determinado a partir del anlisis de optimizacin, se muestra en laTabla 4.

La figura.5.Destruccin de exerga en los componentes del sistema y la total destruccin de exerga en todo el sistema a diferentes valores de temperatura de entrada del expansor.Opciones Figura

La figura.6.Destruccin de exerga en los componentes del sistema y la total destruccin de exerga en todo el sistema a diferentes valores de presin del evaporador.Opciones FiguraLas Figs.7y8muestran las eficiencias de energa y exerga y el ndice de sostenibilidad para la ejecucin del ciclo de Rankine orgnico en diferentes valores de temperatura de entrada del expansor.Dela figura.7, las de eficiencia energtica se incrementa en 5% con el sobrecalentamiento de 30 C sobre la temperatura de saturacin de la presin del evaporador, mientras que la eficiencia disminuye exerga para la misma gama de sobrecalentamiento.figura.8muestra que la tendencia del ndice de sostenibilidad es el mismo para la eficiencia exerga de los resultados globales.El efecto de aumentar la presin del evaporador en el rendimiento general del sistema para la misma diferencia de temperatura de sobrecalentamiento expansor se muestra enlas Figs.9y10.El rendimiento se muestra en trminos de energa y la eficacia de exerga y el ndice de sostenibilidad.Ambas eficiencias energticas y exerga aumentan con el incremento de presin.

La figura.7.Energa y exerga Rendimiento global con diferentes valores de temperatura de entrada del expansor.Opciones Figura

La figura.8.Parmetros de rendimiento frente a la temperatura de entrada del expansor.Opciones Figura

La figura.9.Energa y exerga Rendimiento global con diferentes valores de la presin del evaporador.Opciones Figura

La figura.10.Rendimiento Parmetros vs presin del evaporador.Opciones FiguraA partir del anlisis exergoeconomic, la tasa de costo de la destruccin de exerga en los distintos componentes se muestra en laTabla 5. Los resultados se expresan por cuatro valores de temperatura de entrada del agua geotrmica diferentes.Tambin los valores del factor de exergoeconomic y la diferencia de costo relativo se calculan para los diferentes casos.Dela Tabla 5, se puede concluir que la tasa de costo de la destruccin de exerga ms alto es el asociado con la destruccin de exerga de expansin, sin embargo, la relacin de la destruccin de exerga es ms alta en el evaporador y el condensador, 37-40% y 30-38%, respectivamente .Tabla 5.Exerga y parmetros exergoeconomic a diferentes valores de temperatura geotrmica.Componente[KW]yD[%][$ / H]R[-]f[%]

Tgeo= 160 C

Condensador930.330.6832.270.293459.27

Evaporador141946.865.140.38866.33

Expander504,916.6578.050.445472.51

Bomba16.780.551.1984.65794.5

CHE160.75.347.61.01759.56

Tgeo= 165 C

Condensador103338.7834.80.280459.47

Evaporador100937.8834.580.40479.18

Expander530.619.9274.860.49473.35

Bomba18.310.691.2914.48394.51

CHE73.352.7525.71.54971.36

Tgeo= 170 C

Condensador105438.8433.070.187858.06

Evaporador102437.7336.470.415178.8

Expander51518.9870.760.507574.43

Bomba17.090.631.2144.59694.56

CHE103.73.8231.51.34769.22

Tgeo= 175 C

Condensador100835.7633.50.232758.52

Evaporador115340.941.190.423276.03

Expander508,118.0271.450.493674.24

Bomba16.790.61.1964.63794.54

CHE132.54.738.941.25565.7

Opciones de la tablaLa figura.11,. Fig.12yla fig.13muestran los efectos de la temperatura de estado muertos en el anlisis exergoeconomic del sistema.La temperatura de estado muerto se asume a cambiar en un rango razonable de valores.Fig.11muestra el efecto de la temperatura de estado muerto en los valores del factor de exergoeconomic para los componentes del sistema ORC.Cambio de la temperatura de estado muerto de 0 a 30 C causa una disminucin general en el valor del anlisis exergoeconomic, pero en diferentes proporciones.El valor del factor de exergoeconomic para el condensador disminuye de 70,3% a 26,07%.Tambin para el intercambiador de calor regenerativo, los valores de los cambios en los factores exergoeconomic en una relativamente gran gama de 63,2% a 41,2%.Para el expansor, evaporador y la bomba, las reducciones en los valores de los factores fueron muy limitados en comparacin con los otros componentes.Se pas de 52,3% a 51,4% para el expansor, el 88,9% y el 84,3% para el evaporador y, por ltimo, para la bomba, que pas de 94,8% a 94,2%.Valor bajo del factor de exergoeconomic indica que existe un potencial para aumentar el ahorro de costes mediante la mejora del rendimiento de los componentes y reducir la destruccin de exerga se produce a travs de l, esto puede venir en los gastos del coste de la inversin de capital del componente[16].

La figura.11.Efecto de la temperatura de estado muertos en el factor exergoeconomic para componentes ORC.Opciones Figura

La figura.12.Efecto de la temperatura de estado muerto en la tasa de costo asociado con la destruccin de exerga para los componentes de ORC.Opciones Figura

La figura.13.Efecto de la temperatura de estado muerta en el costo del producto y la tasa total de costo de la destruccin de exerga.Opciones FiguraA partir de los anlisis de exerga y termoeconmico, el aumento en el valor de la temperatura del estado muerto por lo general causado un aumento en la tasa de costo de la destruccin de exerga en diferentes componentes del sistema, sin embargo, las tasas de los costos de la destruccin de exerga expresada como porcentaje de la tasa total de costo de la destruccin de exerga tiene diferentes tendencias con el cambio en la temperatura de estado muertos como se muestra enla figura.12. Las tasas de los costos de la destruccin de exerga en el aumento del condensador 29,94-33,23 $ / h con el aumento de temperatura de estado muertos de 0 a 30 C.Pero como un porcentaje de la tasa de costo total destruccin de exerga, que ha fallecido 6,9-5,72%.Para el expansor, se increment 187,7 a 194,7 $ / h, mientras que su porcentaje disminuy desde 43,6 hasta 33,5%.La tasa de costo y su participacin en la tasa de costo total destruccin de exerga se incrementaron para el evaporador 173,9-261,4 $ / hy 40,4 a 45,05%, respectivamente.La CHE muestra un aumento de la tasa de costo de la destruccin de exerga 37,62-89,68 $ / h, y un aumento de su representacin en el importe total de 8,7 a 15,4%.La tasa de costo de la destruccin de exerga en la bomba aument ligeramente 1,22-1,36 $ / h, sin embargo, el porcentaje de costos disminuy 0,28 a 0,23%.Enla fig.13, muestra una disminucin en la tasa total de costo del producto con el aumento de la temperatura de estado muerto.El cambio en el costo total del producto tiene una forma lineal.La tasa de costo total asociado con el aumento de la destruccin de exerga del sistema con alrededor de 140 $ / h para el mismo cambio de temperatura.8. ConclusionesUn ciclo de Rankine orgnico con una fuente de calor geotrmica e isobutano como fluido de trabajo se estudia termodinmicamente, basado en los conceptos de energa y exerga.Anlisis Exergoeconomic se realiza en el sistema, y los diferentes factores econmicos se calculan en diferentes parmetros de funcionamiento.Las siguientes observaciones se pueden extraer de este estudio:Los diferentes temperaturas del agua geotrmica se consideran en el presente anlisis y un rendimiento ptimo se consigue a 165 C, que fue considerado como un caso base para el anlisis.Eficiencias de energa y exerga se calculan como 16,37% y 48,8%, respectivamente, a una temperatura de la fuente caliente de 165 C.El evaporador y el condensador tienen las ms altas tasas de destruccin de exerga, que representa alrededor del 75% de la tasa total de la destruccin de exerga del sistema en general.Los valores del factor de exergoeconomic muestran valores relativamente altos para la bomba y el expansor y valores moderados para los dispositivos de intercambio de calor en el sistema.Tambin se estudian los efectos de cambiar la temperatura de estado muerto, la presin del evaporador y la temperatura de entrada del expansor en la termodinmica del sistema y los parmetros termoeconmico.El aumento del valor de temperatura de estado muerto provoca un aumento en la tasa de coste de la destruccin de exerga en el sistema.NomenclaturaLarea, m2BoNmero de Bonosccosto por unidad de exerga, $ / GJ

tasa de costo, $ / hexexerga especfica, kJ / kg

tasa de exerga, kW

destruccin de exerga, kWFfactor de exergoeconomic,%GrNmero GrashofHentalpa especfica, kJ / kgKconductividad trmica, W / m Kllongitud de la superficie de transferencia de calor, mm

caudal msico, en kg / sNnmero de aos de operacinNnmero de placa del intercambiador de calorNuNmero de NusseltPtono de la flauta de la placa, mmPpresin, kPa, barPrNmero de Prandtl

Velocidad de calentamiento, kWRdiferencia costo relativoReNmero de Reynoldssentropa especfica, kJ / kg K

generacin de entropa, kW / KTtemperatura, C, KUcoeficiente global de transferencia de calor, W / m2KVvelocidad, m / s

caudal volumtrico, m3/ s

trabajo, kW

tasa de costo de inversin anual, $ / hcoeficiente de transferencia de calor por conveccin, W / m2Kheliminacin de la placa de intercambiador de calor, mmxeliminacin de la placa en el lado del agua, mmyeliminacin de la placa en el lado del fluido orgnico, mmla eficiencia energtica,%densidad, kg / m3tensin superficial, N / mhoras anuales de funcionamiento, heficiencia exerga,%SubndiceCDcondensadorcffluido de refrigeracincrcrticoCwagua de refrigeracinevevaporadorExpexpansorFcombustibleHEtermocambiadorhffluido calienteenvapor enLlquidoDEfluido orgnicofueravapor a caboPproductoVvaporWaguaReferencias1. [1] S. Quoilin, S. Declaye, BF Tchanche, V. Lemort Optimizacin termo-econmica de los ciclos Rankine orgnicos de recuperacin del calor residual Ingeniera Aplicada trmica, 31 (2011), pp 2885-2893 Artculo|PDF (650 K)|Ver Registro en Scopus|Citando los artculos (76)2. [2] A. Algieri, P. 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Autor para correspondencia.Facultad de Ingeniera y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario L1H 7K4, Canad.Copyright 2013 Elsevier Ltd. Todos los derechos reservados.

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