Análisis termodinámico de un sistema de recuperación del calor residual de un horno de arco eléctrico mediante almacenamiento energético por calor latente acoplado a un ciclo de potencia

Abstract

[ES] Es conocido que el rendimiento de Carnot es la máxima eficiencia teórica a la que puede aspirar un ciclo termodinámico. Este límite al rendimiento asume un ciclo reversible con dos procesos isotermos que transcurren infinitamente lentos. Cuando el análisis considera las velocidades finitas de transmisión del calor aquella eficiencia máxima resulta inalcanzable, y, además, las condiciones en las que el ciclo opera a máxima potencia no son las mismas en las que lo hace a rendimiento máximo. La termodinámica en tiempo finito (FTT por sus siglas inglesas), estudia las consecuencias de la velocidad finita de transferencia de calor en los ciclos. Este enfoque engloba a priori dos conceptos que se suelen estudiar separados: transmisión de calor y termodinámica. En este documento se desarrolla las ecuaciones de la FTT que permiten tener en cuenta las consecuencias de la velocidad finita de transmisión de calor sobre la potencia y el rendimiento de una instalación, y se analiza con ellas el diseño de diversas variantes de un sistema de recuperación de calor residual industrial. Se estudia una planta de producción de acero que se sirve de un horno de arco eléctrico, de la que se conoce el perfil de temperaturas y caudal de los gases de escape resultado de la fundición de acero. Es de especial interés recuperar esta enorme fuente de calor residual como medida de ahorro energético. La gran variabilidad de la temperatura de los gases, que le resta estabilidad al sistema, es la principal dificultad que deben afrontar los diseños de posibles métodos de recuperación. La solución propuesta aquí consiste en la aplicación de un sistema de almacenamiento de energía por calor latente, haciendo uso de materiales de cambio de fase (PCM). La energía así almacenada se emplea en hacer funcionar un ciclo de potencia de Rankine. Se analizan distintos casos de producción discontinua de potencia. Concretamente, se analiza una aleación de aluminio como PCM que se utilizará para la producción eléctrica mediante ciclo Rankine, se contempla implementar el sistema de captación dentro de la cámara de sedimentación del horno de arco eléctrico y fuera, donde se consideran las limitaciones del tiempo de almacenamiento y del fijado de potencia. Una vez contemplados ambos casos, se analiza el uso adicional de un segundo PCM, sales KOH, para poder recuperar más calor residual de manera simultánea y a una temperatura menor.

[EN] It is known that the Carnot efficiency is the maximum theoretical efficiency to which a thermodynamic cycle can aspire. This limit to efficiency assumes a reversible cycle with two isothermal processes running infinitely slowly. When the analysis considers finite heat transfer rates, this maximum efficiency is unattainable, and, moreover, the conditions under which the cycle operates at maximum power are not the same as those under which it operates at maximum efficiency. Finite-time thermodynamics (FTT) studies the consequences of the finite rate of heat transfer in cycles. This approach encompasses a priori two concepts that are usually studied separately: heat transfer and thermodynamics. This paper develops the FTT equations that allow taking into account the consequences of the finite rate of heat transfer on the power and performance of a plant and analyzes with them the design of several variants of an industrial waste heat recovery system. A steel production plant using an electric arc furnace is studied, for which the temperature and flow profile of the exhaust gases resulting from steel melting is known. It is of particular interest to recover this huge source of waste heat as an energy saving measure. The large variability of the gas temperature, which detracts from the stability of the system, is the main difficulty to be faced in the design of possible recovery methods. The solution proposed here consists of the application of a latent heat energy storage system using phase change materials (PCM). The energy thus stored is used to operate a Rankine power cycle. Different cases of discontinuous power production are analyzed. Specifically, an aluminum alloy is analyzed as a PCM to be used for electricity production by Rankine cycle, it is considered to implement the collection system inside the settling chamber of the electric arc furnace and outside, where the limitations of the storage time and the power setting are considered. Once both cases are considered, the additional use of a second PCM, KOH salts, is analyzed in order to recover more waste heat simultaneously and at a lower temperature