Thermodynamic Stratification of Dual-Working-Fluid ORC-Driven Vapor Compression Refrigeration Systems Based on Critical Property Compatibility

Resumen Técnico: Estratificación Termodinámica de Sistemas de Refrigeración por Compresión de Vapor impulsados por ORC de Doble Fluido de Trabajo Basada en la Compatibilidad de Propiedades Críticas

Planteamiento del Problema
La integración del Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) con el Ciclo de Compresión de Vapor (VCC) ofrece una solución prometedora para la recuperación de calor residual (WHR) de baja temperatura para generar refrigeración. Sin embargo, la selección de la pareja óptima de fluidos de trabajo duales para estos sistemas sigue siendo un desafío significativo. La literatura existente a menudo depende del cribado de "fuerza bruta" de candidatos de fluidos discretos o se centra en sistemas de un solo fluido, careciendo de una metodología generalizada para predecir el rendimiento del sistema basado en la compatibilidad termodinámica entre los dos fluidos. Además, la influencia específica de la diferencia de temperatura crítica ($\Delta T_{crit}$) entre los fluidos de trabajo del ORC y del VCC sobre la eficiencia global del sistema y la irreversibilidad está poco explorada.

Metodología
Este estudio presenta un marco de perfilado de estratificación termodinámica para evaluar 100 combinaciones distintas de fluidos de trabajo de ORC–VCC extraídas de diversas familias moleculares (Hidrocarburos, Halocarbonos y Siloxanos). La metodología consiste en:

1. Configuración del Sistema: Un sistema de doble fluido donde el ORC (Fluido A) utiliza calor residual de baja temperatura para accionar una turbina, la cual está acoplada directamente al compresor del VCC (Fluido B). Los subsistemas operan con condensadores independientes.
2. Modelado Termodinámico: Se desarrolló un modelo computacional utilizando Python y se validó con datos experimentales de Saleh et al. [19]. El modelo emplea evaluaciones tanto de la Primera Ley (balance de energía, COP) como de la Segunda Ley (análisis de exergía, eficiencia de exergía, irreversibilidad).
3. Enfoque de Estratificación: En lugar de analizar los fluidos individualmente, el estudio clasifica las parejas de fluidos en cuatro perfiles distintos basados en su diferencia de temperatura crítica ($\Delta T_{crit} = T_{crit,ORC} - T_{crit,VCC}$):
   • Bajo: 0–60 °C
   • Medio: 60–120 °C
   • Alto: 120–180 °C
   • Ultra-Alto: >180 °C
4. Análisis de Sensibilidad Paramétrica: El rendimiento de estos perfiles estratificados se evaluó bajo diversas condiciones operativas: Temperatura de la caldera ($T_b$: 60–100 °C), Temperatura del condensador ($T_c$: 25–50 °C) y Temperatura del evaporador ($T_{eva}$: -15 a 15 °C).

Contribuciones Clave
El artículo introduce un criterio cualitativo para la selección de fluidos basado en la compatibilidad de las propiedades críticas en lugar de propiedades aisladas de los fluidos. Sus principales contribuciones incluyen:

• Perfilado de Estratificación Termodinámica: Establecer el $\Delta T_{crit}$ como una métrica de cribado práctica que agrupa las parejas de fluidos en bandas de rendimiento, revelando que el comportamiento del sistema no es aleatorio, sino que sigue tendencias termodinámicas específicas basadas en la compatibilidad de la temperatura crítica.
• Análisis de Sensibilidad Exhaustivo: Proporcionar un análisis detallado de cómo los parámetros operativos ($T_b, T_c, T_{eva}$) interactúan con las propiedades de los fluidos a través de un amplio rango de 100 combinaciones de fluidos.
• Guías de Diseño: Ofrecer recomendaciones de diseño específicas para sistemas integrados de WHR, equilibrando la eficiencia termodinámica frente a restricciones operativas prácticas como los caudales másicos.

Resultados Clave

• Impacto de los Parámetros Operativos:
  • Temperatura del Condensador ($T_c$): Identificada como el factor negativo dominante. El aumento de $T_c$ de 25 °C a 50 °C redujo el COP del sistema aproximadamente un 67% y la eficiencia de exergía un 70%, aumentando significativamente el caudal másico requerido del ORC ($\dot{m}_{ORC}$).
  • Temperatura de la Caldera ($T_b$): El aumento de $T_b$ de 60 °C a 100 °C mejoró el COP del sistema en un 115% y la eficiencia de exergía en un 23%, reduciendo el $\dot{m}_{ORC}$.
  • Temperatura del Evaporador ($T_{eva}$): El aumento de $T_{eva}$ mejoró el COP (en un ~210%) pero redujo la eficiencia de exergía (en un ~33%), indicando un compromiso entre la capacidad de refrigeración y la calidad de la energía.
• Rendimiento de la Estratificación:
  • Perfiles de Bajo $\Delta T_{crit}$ (0–60 °C): Alcanzaron consistentemente el mayor rendimiento termodinámico, produciendo un COP promedio de 6–7% superior y una eficiencia de exergía de 5–6% mayor en comparación con los perfiles Ultra-Altos. Esto se atribuye a una mejor compatibilidad termodinámica y una menor irreversibilidad.
  • Perfiles de Ultra-Alto $\Delta T_{crit}$ (>180 °C): Exhibieron las métricas de rendimiento más bajas.
  • El Compromiso del Caudal: El rendimiento superior de los perfiles de Bajo $\Delta T_{crit}$ tuvo como contrapartida la necesidad de caudales másicos de fluido de trabajo entre un 25 y 30% superiores en comparación con los perfiles de Alto $\Delta T_{crit}$.
• Especificidades de las Parejas de Fluidos: Las parejas de Hidrocarburo-Hidrocarburo (p. ej., Benceno-Tolueno) demostraron consistentemente un rendimiento superior debido a sus características termofísicas favorables. Por el contrario, las parejas de Siloxano-Halocarbono (p. ej., MD2M-R1234yf) mostraron generalmente una menor eficiencia y mayores requerimientos de caudal másico.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio establece el $\Delta T_{crit}$ como una métrica primaria viable para el cribado de parejas de fluidos en sistemas de dual-fluido ORC-VCC, yendo más allá de la optimización discreta hacia una comprensión estratificada de la compatibilidad de los fluidos. Los hallazgos sugieren que, si bien los perfiles de Bajo $\Delta T_{crit}$ maximizan la eficiencia energética y exergética, imponen mayores requerimientos de bombeo y dimensionamiento. Por lo tanto, el artículo concluye que el diseño óptimo del sistema requiere un análisis de compromiso: los perfiles de Bajo $\Delta T_{crit}$ son preferibles cuando la prioridad única es maximizar el COP y la eficiencia, mientras que los perfiles de Alto $\Delta T_{crit}$ pueden ofrecer un mejor equilibrio cuando se consideran los caudales de circulación y la complejidad del equipo. El estudio proporciona un marco fundamental para el diseño de sistemas integrados de recuperación de calor residual que consideren tanto el rendimiento termodinámico como las restricciones operativas prácticas.