Ciclo Higroscópico

El Ciclo Higroscópico fue creado y desarrollado por Francisco Javier Rubio Serrano en 2008, y se encuentra en el estado de la técnica desde 2010 como “Ciclo Rankine con etapa de absorción mediante compuestos higroscópicos”.

Planta demostración Ciclo Higroscópico

En 2012 IMASA, Ingeniería y Proyectos, S.A (www.imasa.com), adquirió los derechos de explotación de la tecnología. La empresa de innovación IBERGY (www.ibergy.com), liderada por el propio Rubio junto a José Luis Barrientos Reguera y Carlos Pérez Rivero, desarrolla actualmente toda la química de sales y equipos característicos para beneficio del ciclo.

Es un ciclo de potencia caracterizado por trabajar con compuestos higroscópicos, los cuales optimizan la condensación del vapor de salida de la turbina, pudiendo trabajar con alto vacío a la salida de la misma y buenas condiciones de refrigeración. En definitiva, se aumenta la temperatura de condensación para una presión determinada en el condensador.

El Ciclo Higroscópico es un ciclo de potencia que trabaja con agua y con compuestos higroscópicos, los cuales deben tener las siguientes características:

• Deben ser compuestos altamente higroscópicos, materiales delicuescentes.
• Deben ser menos volátiles que el agua (presión de vapor menor que el agua) y fácilmente separables, la retención sea reversible y el vapor pueda ser fácilmente desorbido.
• Deben ser estables químicamente a las presiones y temperaturas de trabajo del ciclo de vapor a las cuales será sometido.
• Se aconsejan fluidos no tóxicos ni inflamables.

El Ciclo Higroscópico incorpora los principios físicos y químicos de las máquinas de absorción para aportar al ciclo Rankine mayor rendimiento y mejores condiciones de refrigeración. Comprende los siguientes equipos principales:

Componentes Ciclo Higroscópico

1. Turbina de vapor.
2. Absorbedor de vapor.
3. Bomba de condensado.
4. Bomba de disolución.
5. Recuperador entálpico.
6. Desgasificador térmico.
7. Generador de vapor.
8. Sobrecalentador.
9. Aerorefrigerante.

Este ciclo puede incluir todas las mejoras incorporadas al ciclo de Rankine (aumento de la presión de inicio de expansión, la disminución de la presión de término de expansión, sobrecalentamiento del vapor, recalentamiento, regeneración, condiciones supercríticas).

William John Macquorn Rankine (1820 - 1872)

El ciclo de Rankine es un ciclo de generación que opera con vapor. Se utiliza actualmente en la generación de energía eléctrica en las centrales termoeléctricas o térmicas de vapor. El agua se utiliza como fluido de trabajo pasando por diferentes equipos y produciendo un trabajo mecánico gracias a su expansión (estado vapor) en el interior de una turbina de vapor; un generador conectado a la salida de la turbina entrega la potencia eléctrica producida.

El rendimiento del ciclo Rankine se determina como el cociente entre la resta del trabajo producido por la turbina y el consumido por la bomba, partido del calor cedido al vapor desde el generador de vapor.

Son numerosas las mejoras que se han ido introduciendo al ciclo de Rankine con el objetivo de aumentar el rendimiento del ciclo, y con ello mejorar la eficiencia de la central eléctrica tratada. Además de incrementar el rendimiento de los propios equipos participantes en el ciclo (bomba, turbina, caldera…), se ha hecho necesario introducir modificaciones a la disposición de la planta. Entre las principales mejoras realizadas para incrementar el rendimiento del ciclo de Rankine se encuentran las siguientes:

• Sobrecalentamiento del vapor al inicio de expansión (ciclo de Hirn).
• Modificaciones de las condiciones de operación al inicio y término de expansión (aumento de la presión de inicio de expansión, la disminución de la presión de término de expansión, condiciones supercríticas).
• Recalentamiento (se trabaja con presiones mayores evitando la formación de humedad al final de la expansión, para ello se extrae el vapor en su totalidad en una etapa de presión intermedia y se recalienta en la caldera hasta una temperatura media llevándolo posteriormente a una nueva expansión).
• Regeneración (se precalienta el agua de alimentación antes de que llegue a la caldera utilizando calentadores abiertos o cerrados con vapor de extracciones de la turbina de vapor).
• Ciclo Binario (dos circuitos en serie: uno trabajando a alta temperatura y otro a baja temperatura).
• La disminución de la presión de término de expansión. Ésta se encuentra limitada por la temperatura del agente refrigerante (agua o aire principalmente) en el condensador.

Sales higroscópicas

Los compuestos higroscópicos son todas aquellas sustancias que atraen agua en forma de vapor o de líquido de su ambiente, de ello su principal aplicación como desecantes. Muchos de ellos reaccionan químicamente con el agua como los hidruros o los metales alcalinos. Otros lo atrapan como agua de hidratación en su estructura cristalina como es el caso del sulfato sódico. El agua también puede adsorberse físicamente. En estos dos últimos casos, la retención es reversible y el agua puede ser desorbida. En el primer caso, al haber reaccionado, no se puede recuperar de forma simple.

Los materiales delicuescentes son sustancias (en su mayoría sales) que tienen una fuerte afinidad química por la humedad y que absorben cantidades relativamente altas de agua si son expuestos a la atmósfera, formando una solución líquida. Ejemplos de sustancias delicuescentes son: cloruro de calcio, cloruro férrico, cloruro de magnesio, cloruro de zinc, carbonato de potasio, hidróxido de potasio y el hidróxido de sodio. La presencia de estos compuestos en dilución con el agua modifica las propiedades de la misma en relación a su estado puro. Estas modificaciones se conocen como propiedades de una solución, clasificándose en constitutivas (viscosidad, densidad, conductividad eléctrica, etc.) y coligativas o colectivas (descenso de la presión de vapor del solvente, aumento del punto de ebullición, disminución del punto de congelación y presión osmótica) de especial interés en esta tecnología.

Una de las principales aplicaciones de los compuestos higroscópicos son los ciclos de absorción utilizados para refrigeración. Estas máquinas empezaron a comercializarse a principios de los años 50, aunque su principio se conoce desde hace más de 100 años. Los ciclos de absorción se basan físicamente en la capacidad que tienen algunas sustancias, tales como el agua y algunas sales como el bromuro de litio, para absorber, en fase líquida, vapores de otras sustancias tales como el amoniaco y el agua, respectivamente.
Por similitud, en este ciclo el agua sería el fluido refrigerante y el compuesto higroscópico el absorbente.

Equipo de absorción

Algunos ejemplos de los compuestos higroscópicos más conocidos son:

• Cloruro de Sodio (Halita)(ClNa).
• Cloruro cálcico (CaCl₂). 
• Hidróxido de Sodio (NaOH).
• Ácido sulfúrico (H₂SO₄).
• Sulfato de cobre (CuSO₄).
• Pentóxido de fósforo (P₂O₅ o más correctamente P₄O₁₀).
• Silica gel.
• Sales hidratadas como Na₂SO₄∙10H₂O.
• LiBr (el más utilizado en la actualidad, sobretodo en máquinas de absorción para generación de frío).
• LiCl.  
• Aminas.