Ciclo higroscópicoestudio experimental de la tecnología y análisis de sus ventajas respecto a un ciclo rankie

Resumen

El ciclo Higroscópico es un ciclo termodinámico caracterizado por trabajar con una corriente de reflujo de enfriamiento rica en compuestos higroscópicos, la cual absorbe y condensa el vapor de exhaustación, procedente de la turbina de un ciclo Rankine o de otro proceso en un absorbedor de vapor. La temperatura de condensación, a la salida de dicho equipo, es siempre superior a la temperatura del vapor puro de entrada al mismo, medidas ambas a la misma presión, incrementándose dicha diferencia de temperaturas a medida que se aumenta la concentración másica en compuestos higroscópicos en dicha corriente, pudiéndose llegar a diferencias superiores a 15 ºC. Es la única tecnología existente capaz de condensar un vapor de agua pura a una temperatura de refrigeración superior a la temperatura de saturación de dicho vapor. En esta tecnología se produce un aprovechamiento térmico y químico de las purgas de caldera, las cuales son ricas en compuestos higroscópicos. En este caso se ha utilizado una disolución de bromuro de litio (LiBr) en agua. El ciclo Higroscópico permite disminuir las presiones de condensación de salida de turbina para la misma temperatura de refrigeración, o bien, incrementar las temperaturas de refrigeración para la misma presión de condensación. Se consiguen, por ejemplo, incrementos del rendimiento eléctrico bruto del 6.50%, y del 5.30% en rendimiento eléctrico neto respecto a un ciclo Rankine, con concentraciones másicas óptimas de LiBr en agua del 45% en la corriente de reflujo de enfriamiento, y del 50% en las purgas de caldera. El ciclo Higroscópico se diseña con aerorefrigerantes para disipar la energía de condensación del vapor en modo seco, optimizándose el consumo eléctrico del equipo en base a la temperatura ambiente, y haciendo desaparecer el consumo de agua de refrigeración. La incorporación de LiBr permite reducir los autoconsumos eléctricos medios anuales de los aerorefrigerantes en casi 4 veces, aumentándose con ello el rendimiento eléctrico neto del ciclo Higroscópico. Otro punto interesante que se tratará en la presente tesis doctoral es el comportamiento de las aminas filmantes y neutralizantes para proteger de la corrosión la metalurgia del sistema, incluido el haz tubular de cobre de los aerorefrigerantes. Se comprueba que la protección con dichos compuestos depende de la conductividad eléctrica de la corriente de reflujo de enfriamiento, existiendo una franja de estabilidad que comprende unos valores de pH donde la velocidad de corrosión es nula o alcanza un valor mínimo. Fuera de esta franja, la velocidad de corrosión se incrementa a medida que el valor de pH se aleja de ella, siendo mayor a pH ácidos que básicos. Se identifican las ecuaciones básicas para definir de una manera óptima los balances de masa y energía de un ciclo Higroscópico, así como los dos parámetros más importantes en el diseño del absorbedor de vapor, que son el diámetro y la longitud de la zona de contacto, parámetros que dependen del caudal de vapor y del caudal de la corriente de reflujo de enfriamiento. Además, se confirma que la velocidad recomendable que debe tener el vapor vivo en el separador de gotas debe ser inferior a 1.5 m/s, con el propósito de garantizar las conductividades eléctricas máximas tolerables por las turbinas de vapor. Los resultados han sido corroborados experimentalmente mediante una planta demostración con capacidad de generación de 110 kg/h de vapor vivo. Se trabaja desde calidades de agua desmineralizada (conductividades eléctricas inferiores a 2 µS/cm), a concentraciones másicas desde 45 a 65% en la corriente de reflujo de enfriamiento, utilizándose para ello una disolución de LiBr en agua. También, se describen las ventajas encontradas al incorporar la tecnología ciclo Higroscópico a la central eléctrica de biomasa de 12.5 MWe de Vetejar (Córdoba), la cual sufre de escasez de agua y mala calidad de la misma. Las mejoras que aporta dicha tecnología se justifican por el aumento en 13 ºC de la temperatura de refrigeración en dicha planta, manteniéndose las mismas presiones de condensación a la salida de turbina. Ello permite aumentar el rendimiento eléctrico neto de la instalación, disminuir los autoconsumos eléctricos y anular el consumo anual de agua de refrigeración. Este último punto ha permitido aumentar la disponibilidad de la instalación, y con ello la energía eléctrica anualmente generada. Esta tecnología puede incorporarse a cualquier industria que condense vapores procedentes de diferentes procesos, principalmente en plantas de energía que utilicen un ciclo Rankine, obteniéndose los máximos rendimientos eléctricos tanto brutos como netos, y sin necesidad de consumir agua de refrigeración.