Contribution to Advanced Waste Heat Recovery Techiques on Ship's Propulsion Plants

Resumen

Esta tesis explora el potencial del calor de grado bajo y medio en diferentes ciclos termodinámicos utilizados para convertir el calor residual en trabajo mecánico. El objetivo esta tesis es estudiar el estado del arte de los ciclos termodinámicos utilizados para recuperar calor de bajo grado y proponer mejoras. La relevancia de investigar aplicaciones de calor de baja calidad o calor residual es que disponible una gran cantidad de energía térmica a un costo insignificante dentro del rango temperaturas medias y bajas, con el inconveniente de que los ciclos térmicos existentes pueden hacer un uso eficiente de dicho calor disponible a baja temperatura, debido a su eficiencia. La presente tesis ofrece un enfoque diferente y analiza la recuperación de calor de bajo grado desde un punto de vista termodinámico, comparando su eficiencia de conversión. Los Ciclos Rankine Orgánico (ORCs) revisados muestran eficiencias similares. Por el contrario, los ciclos presentados en esta tesis, cerrados, sin condensación, que intercambian calor a volumen constante y convierten la energía térmica en trabajo mecánico adiabáticamente, tienen configuración que permite la explotación eficiente del calor de bajo grado. También se analizan las estrategias de recuperación de calor y se proponen varios sistemas no convencionales para explotar el calor de bajo grado en la máquina propuesta. Dos factores relevantes ejercen una fuerte influencia en el criterio para decidir la estructura de las plantas de propulsión marina: • La reducción del consumo de combustible que experimenta al aumentar la eficiencia térmica de los motores térmicos asociados. • La emisión de dióxido de carbono debido al consumo de combustibles fósiles Por un lado, las emisiones de dióxido de carbono de la combustión de combustibles fósiles utilizados en plantas de propulsión marina y sus plantas de potencia asociadas son una preocupación debido a los impactos ambientales originados por tales emisiones de gas efecto invernadero, lo que contribuye a modificar la composición de la atmósfera , sentido muy negativo. Por lo tanto, estos sistemas nocivos pueden reemplazarse por estrategias de diseño alternativas, o al menos podrían mitigarse mediante la reducción de las emisiones de dióxido de carbono, lo que podría lograrse cambiando las estrategias de diseño tecnológico y metodologías operativas. La tecnología de recuperación de calor que se puede utilizar en sistemas de recuperación de calor residual (WHRS) de grado medio o bajo es uno de los medios capaces de disminuir las emisiones de dióxido de carbono y de reducir significativamente el consumo de combustible. Esto obedece al hecho de que es posible una mejora significativa en la eficiencia de los sistemas de propulsión marina, ya que contribuye a la reducción del consumo de combustibles fósiles del sector del transporte marítimo en general. La mejora mencionada se puede lograr aprovechando la energía calorífica residual agotada y/ o rechazada por el sistema de propulsión y sus motores auxiliares asociados. La tecnología convencional hasta ahora optó por el aprovechamiento parcial de los gases de escape, ya que no se pudo utilizar calor a temperaturas más bajas. Convencionalmente, la tecnología de vanguardia en este campo utiliza ORCs avanzados bajo varias estructuras de ciclo combinado como una entre algunos de los sistemas de recuperación de calor residual (WHRS) diferentes que se están utilizando para el aprovechamiento del calor de grado medio y/ o bajo que se desperdicia por el sistema de propulsión que no puede ser utilizado por los motores de propulsión. Por otro lado, la reducción del consumo de combustible, lo que significa aumentar la eficiencia térmica, provoca la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Esto debe mejorarse tanto como sea posible, ya que este criterio es lo suficientemente relevante como para emprender el desarrollo de tecnologías destinadas a mejorar la eficiencia térmica de los motores térmicos utilizados hasta ahora. Sin embargo, en esta tesis se investiga un nuevo paradigma de WHRS con el objetivo de aumentar la eficiencia térmica lo cual hace que se reduzca el consumo de combustibles fósiles y las emisiones de dióxido de carbono. Estas mejoras están asociadas con las siguientes contribuciones propuestas y realizadas en esta tesis: • Recuperación de calor de más baja temperatura mediante el diseño de una estructura de recuperación capaz de recuperar el calor residual de las temperaturas medias y V bajas rechazadas hasta ahora, provenientes de gases de escape, enfriadores de aire admisión, enfriadores de agua de camisas y enfriadores de aceite lubricante. • Motores térmicos más eficientes mediante el diseño de análisis y realización de prueba de concepto de ciclos térmicos basados en procesos cerrados que funcionan con interacciones que expanden y contraen el fluido de trabajo generando trabajo Además, los motores térmicos propuestos se caracterizan por un ciclo térmico físicamente realizable compuesto por dos procesos isocóricos cerrados que consisten en agregar y extraer calor hacia/ desde el fluido de trabajo y dos procesos adiabáticos cerrados que convierte energía térmica en trabajo mecánico útil, que consiste respectivamente en expansión adiabática cerrada y contracción adiabática cerrada. Los principales resultados son: • Un sistema energético capaz de convertir calor de bajo grado en trabajo mecánico un factor de utilización más alto que cualquier tecnología disponible tanto comercialmente como en el campo teórico o académico. • Un ciclo térmico que supera cualquier otro ciclo usado para calor de bajo grado en términos de eficiencia y factor de utilización.