Análisis de impacto de mezclas zeotropicas en el diseño de un intercambiador de calor para un ciclo Rankine orgánico

Abstract

El estudio aborda un análisis del impacto de las mezclas zeotrópicas en el diseño de intercambiadores de calor dentro de un ciclo Rankine orgánico (ORC) y como los factores de diseño afectan en la eficiencia térmica de este. El uso de mezclas zeotrópicas se establece como una tecnología ampliamente utilizada para la recuperación de calor residual en aplicaciones de baja y media temperatura. El ORC se destaca por su capacidad de operar de manera eficiente con fuentes de calor de una temperatura menor a la que se utilizan en un ciclo Rankine convencional, permitiendo una conversión efectiva de energía térmica a trabajo útil. En este contexto, las mezclas zeotrópicas juegan un papel crucial, ya que presentan un fenómeno de "deslizamiento de temperatura" durante el cambio de fase, lo que permite una mejor integración térmica en los intercambiadores de calor, reduciendo las irreversibilidades y mejorando la eficiencia global del ciclo. El trabajo se basa en una modelación termodinámica mediante el uso del software EES y en el uso de correlaciones empíricas para modelar el comportamiento del ciclo ORC bajo el análisis del método de subintercambiadores para aplicar correctamente las propiedades termodinámicas del intercambiador en sus distintas configuraciones, en particular, en el uso de intercambiadores de placas. Estos dispositivos son valorados por su alta eficiencia en la transferencia de calor y su diseño compacto, lo que los convierte en una opción ideal para aplicaciones industriales. Se evaluaron varios parámetros operativos como el coeficiente global de transferencia de calor, el área de intercambio, y las propiedades termodinámicas de las mezclas, destacando cómo estos factores afectan el rendimiento térmico y mecánico del sistema. Los resultados obtenidos muestran que, al incrementar el coeficiente global de transferencia de calor en el evaporador, la eficiencia térmica del ciclo tiende a estabilizarse tras alcanzar un umbral específico. Además, se observa una disminución en la presión del condensador a medida que se varía el coeficiente de transferencia de calor o el área de transferencia de calor de este, provocando un aumento en la eficiencia de transferencia de calor. Finalmente, el estudio también realiza una revisión bibliográfica mostrando las ventajas del uso de mezclas zeotrópicas frente a fluidos puros y se resalta la importancia de seleccionar correctamente tanto el fluido de trabajo como el diseño geométrico del intercambiador de calor. Se concluye que la optimización de estos elementos es fundamental para maximizar la eficiencia del ORC y lograr un aprovechamiento óptimo del calor residual, pero se debe tener en cuenta que muchas de las correlaciones utilizadas actualmente, son mediante análisis empíricos y adaptaciones de correlaciones utilizadas para los fluidos puros y no se ha llegado a un método analítico que permita tener una aproximación propia de las mezclas zeotrópicas. Este enfoque no solo permite mejorar la producción de trabajo útil a partir de fuentes térmicas, sino que también contribuye a reducir costos operativos y mejorar la sostenibilidad energética en aplicaciones industriales.