Análisis de la geometría y del rendimiento de una turbina de flujo radial para el estudio de fluidos de trabajo en un ciclo orgánico Rankine usando distintos recursos renovables de baja entalpía (Solar-Biomasa-Geotérmica)
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Date
2018
Authors
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Publisher
Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Carrera de Ingeniería Mecánica
Abstract
The present experimental project is focused on studying the renewable resources
available in the province of Tungurahua (solar-biomass-geothermal). The project is
based on determining the characteristics of each renewable resource for using
within a Rankine Organic Cycle. In order to take advantage of its energy potential
for micro generation, by using a radial flow turbine. And the use of computer tools,
such as the ANSYS Software Academic and the EES Software Academic, with the
purpose of simplifying the analysis and obtaining reliable results.
First, the Rankine Organic Cycle analysis was performed using different
configurations in the cycle. For instance, the use of a single renewable resource,
such as heat source inside of evaporator. In addition to this, it was carried out the
hybridization of renewable resources, by using one and two heat sources to preheat
the working fluid before arriving to the evaporator in order to increase the thermal
performance of the cycle and its power.
The thermal power for being used as a heat source was determined by taking
advantage of the daily global irradiation on the surface of the Tungurahua province
for the solar resource. In the case of the biomass resource, the quantity of biomass
resource transformed to biogas was determined, through the treatment of sludge
available in the wastewater treatment plant of Ambato city, located in the Las Viñas
place. Finally, for the geothermal resource the use of geothermal water available in
the thermal sources of the "Virgin" in Baños de Agua Santa city was determined.
In the thermodynamic study of the cycle, three different working fluids, determined
by the temperature of the renewable resource were used. Likewise, the mass flow
of these was calculated for each configuration of the cycle in order to obtain data
such as pressures, enthalpies and temperatures at each point of the cycle. It is worth
mentioning that the EES software Academic was used for this analysis, since it has
a large base of thermo-physical properties of different working fluids.
Moreover, different geometries of radial turbines were analyzed. These geometries
were sized and designed using tools available in the ANSYS software Academic.
Also, this software allowed us to perform the analysis of different working fluids
in each geometry by simulating them. Obtaining results such as the power of the
turbine; pressures, temperatures and kinetic energy of turbulence in the blade of the
turbine.
Description
El presente proyecto experimental está enfocado en estudiar los recursos renovables
disponibles en la provincia de Tungurahua (solar-biomasa-geotérmica). El proyecto
se basa en determinar las características de cada recurso renovable para su uso
dentro de un Ciclo Orgánico Rankine. Con el fin de aprovechar su potencial
energético para micro generación, mediante el uso de una turbina de flujo radial.
Además, se aprovecha el uso de herramientas informáticas, como el Software
ANSYS Académico y el Software EES Académico, con la finalidad de simplificar
el análisis y obtener resultados confiables.
El análisis del Ciclo Orgánico Rankine se realizó usando distintas configuraciones
en el ciclo. Como el uso de un solo recurso renovable para la fuente de calor en el
evaporador. También, se realizó la hibridación de los recursos renovables, mediante
el uso de una y dos fuentes de calor para precalentar el fluido de trabajo antes de
llegar al evaporador. Con el fin de aumentar el rendimiento térmico del ciclo y su
potencia.
La potencia térmica para ser utilizada como fuente de calor; fue determinada
mediante el aprovechamiento de la irradiación global diaria en la superficie de la
provincia de Tungurahua para el recurso solar. En el caso del recurso de biomasa
se determinó la cantidad del recurso de biomasa transformada a biogás, mediante el
tratamiento de lodos disponibles en la planta de tratamientos de aguas residuales de
la ciudad de Ambato ubicada en el sector las Viñas. Finalmente, para el recurso
geotérmico se determinó el uso de agua geotérmica disponible en las fuentes
termales de la “Virgen” en la ciudad de Baños de Agua Santa.
En el estudio termodinámico del ciclo, se utilizaron tres fluidos de trabajo distintos
determinados por la temperatura del recurso renovable. Así mismo se calculó el
flujo másico de estos para cada configuración del ciclo con el fin de obtener datos
como presiones, entalpias y temperaturas en cada punto del ciclo. Cabe mencionar
que para este análisis se usó el software EES Académico, ya que dispone una gran
base de las propiedades termo físicas de distintos fluidos de trabajo.
Adicionalmente se analizaron distintas geometrías de turbinas radiales. Estas
geometrías fueron dimensionadas y diseñadas mediante herramientas disponibles
en el software ANSYS Académico. Igualmente, este software nos permitió realizar
el análisis de distintos fluidos de trabajo en cada geometría mediante la simulación
de estos. Obteniendo resultados como la potencia de la turbina; presiones,
temperaturas y energía cinética de turbulencia en el alabe de la turbina.
Keywords
TURBINA DE FLUJO RADIAL, RECURSOS RENOVABLES DE BAJA ENTALPÍA, BIOMASA, GEOTÉRMICA, POTENCIA TÉRMICA, FLUIDO DE TRABAJO, TURBINA, ANSYS, SOFTWARE DE DISEÑO Y ANÁLISIS