Selección del fluido de trabajo

1. La presión de saturación a la temperatura máxima del ciclo no debe ser excesiva. Las presiones muy elevadas provocan problemas de tensión mecánica y, por lo tanto, pueden requerir componentes innecesariamente costosos.
2. La presión de saturación a la temperatura mínima del ciclo (es decir, la presión de condensación) no debe ser tan baja como para provocar problemas de sellado que impidan la infiltración del aire atmosférico en el sistema.
3. El punto triple debe estar por debajo de la temperatura ambiente mínima prevista. Esto garantiza que el fluido no se solidifique en ningún momento del ciclo ni durante su manipulación fuera del sistema.
4. El fluido de trabajo debe tener una baja viscosidad, un alto calor latente de vaporización, una alta conductividad térmica y una buena capacidad de humectación. Esto garantiza que las caídas de presión del fluido al pasar por los intercambiadores de calor y las tuberías auxiliares sean bajas y que las tasas de transferencia de calor en los intercambiadores sean elevadas.
5. El fluido de trabajo debe tener volúmenes específicos de vapor y líquido bajos. Estas propiedades afectan las tasas de transferencia de calor en los intercambiadores de calor. El volumen específico de vapor está directamente relacionado con el tamaño y el costo de los componentes del ciclo. Además, un volumen específico de vapor elevado conlleva mayores caudales volumétricos, lo que requiere múltiples salidas del expansor en motores térmicos o compresores en ciclos de refrigeración, y resulta en pérdidas de presión significativas. El volumen específico del líquido a la presión del condensador debe ser lo más pequeño posible para minimizar el trabajo requerido por la bomba de agua de alimentación .
6. La no corrosividad y la compatibilidad con los materiales comunes del sistema son criterios de selección importantes.
7. El fluido debe ser químicamente estable en todo el rango de temperatura y presión empleado. La resistencia a la descomposición térmica del fluido de trabajo en presencia de lubricantes y materiales del recipiente es un criterio de suma importancia. Además de requerir el reemplazo del fluido de trabajo, la descomposición química del mismo puede generar gases no condensables que reducen la tasa de transferencia de calor en los intercambiadores de calor, así como compuestos corrosivos para los materiales del sistema.
8. La no toxicidad, la no inflamabilidad, la no explosividad , la no radiactividad y la aceptabilidad industrial actual son también atributos deseables.
9. El fluido debe cumplir con los criterios de protección ambiental, como un bajo potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) y un bajo potencial de calentamiento global (PCG).
10. El fluido debe poseer buenas propiedades lubricantes para reducir la fricción entre las superficies en contacto, lo que disminuye el calor generado cuando las superficies se mueven y, en última instancia, aumenta el rendimiento del ciclo.
11. La sustancia debe ser de bajo costo y estar fácilmente disponible en grandes cantidades.
12. También resulta beneficioso contar con una experiencia operativa a largo plazo con el fluido de trabajo y un posible reciclaje del mismo.

1. La temperatura crítica del fluido debe ser muy superior a la temperatura máxima del ciclo propuesto. La evaporación del fluido de trabajo —y, por lo tanto, la importante liberación de calor— puede producirse a la temperatura máxima del ciclo. Esto resulta en una eficiencia relativamente alta del ciclo.
2. La pendiente d s /d T de la línea de vapor saturado en el diagrama T – s (véase el capítulo Clasificación de fluidos de trabajo puros (monocomponentes)) debe ser prácticamente cero en la relación de presión aplicada del expansor. Esto evita la formación significativa de humedad (gotas líquidas) o un sobrecalentamiento excesivo durante la expansión. Asimismo, garantiza que toda la disipación de calor en el condensador se produzca a la temperatura mínima del ciclo, lo que incrementa la eficiencia térmica.
3. Se requiere un valor bajo para el calor específico del líquido o, alternativamente, una baja relación entre el número de átomos por molécula y el peso molecular, y una alta relación entre el calor latente de vaporización y el calor específico del líquido. Esto reduce la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del líquido subenfriado del fluido de trabajo hasta la temperatura de saturación correspondiente a la presión en el evaporador del ciclo Rankine. De esta manera, la mayor parte del calor se añade a la temperatura máxima del ciclo, y el ciclo Rankine puede aproximarse más al ciclo Carnot .

1. La pendiente d s /d T de la línea de vapor saturado en el diagrama T – s (véase el capítulo Clasificación de fluidos de trabajo puros (monocomponentes)) debe ser prácticamente cero, pero nunca positiva, en la relación de presión aplicada del compresor. Esto evita la formación significativa de humedad (gotas líquidas) o un sobrecalentamiento excesivo durante la compresión. Los compresores son muy sensibles a las gotas líquidas.
2. La presión de saturación a la temperatura de evaporación no debe ser inferior a la presión atmosférica. Esto se aplica principalmente a los compresores de tipo abierto.
3. La presión de saturación a la temperatura de condensación no debe ser elevada.
4. La relación entre las presiones de condensación y evaporación debe ser baja.

La categorización tradicional y actualmente más extendida de fluidos de trabajo puros fue utilizada por primera vez por H. Tabor et al. ^{[ 4 ]} y O. Badr et al. ^{[ 3 ]} en la década de 1960. Este sistema de clasificación de tres clases ordena los fluidos de trabajo puros en tres categorías. La base de la clasificación es la forma de la curva de vapor de saturación del fluido en el plano temperatura-entropía . Si la pendiente de la curva de vapor de saturación en todos los estados es negativa (d s /d T <0), lo que significa que con la disminución de la temperatura de saturación el valor de la entropía aumenta, el fluido se llama húmedo. Si la pendiente de la curva de vapor de saturación del fluido es principalmente positiva (independientemente de una pequeña pendiente negativa algo por debajo del punto crítico ), lo que significa que con la disminución de la temperatura de saturación el valor de la entropía también disminuye (d T /d s >0), el fluido es seco. La tercera categoría se denomina isoentrópica , que significa entropía constante y se refiere a aquellos fluidos que presentan una curva de vapor de saturación vertical (independientemente de una pequeña pendiente negativa ligeramente por debajo del punto crítico) en el diagrama temperatura-entropía. Según el enfoque matemático, esto significa una pendiente infinita (negativa) (d s /d T =0). Los términos húmedo, seco e isoentrópico se refieren a la calidad del vapor después de que el fluido de trabajo experimenta un proceso de expansión isoentrópica ( adiabática reversible ) desde el estado de vapor saturado . Durante un proceso de expansión isoentrópica, el fluido de trabajo siempre termina en la zona bifásica (también llamada húmeda), si se trata de un fluido de tipo húmedo. Si el fluido es de tipo seco, la expansión isoentrópica necesariamente termina en la zona de vapor sobrecalentado (también llamada seco). Si el fluido de trabajo es de tipo isoentrópico, después de un proceso de expansión isoentrópica, el fluido permanece en estado de vapor saturado. La calidad del vapor es un factor clave en la elección de la turbina de vapor o el expansor para máquinas térmicas. Consulte la figura para una mejor comprensión.

La clasificación tradicional muestra varias deficiencias teóricas y prácticas. Una de las más importantes es el hecho de que no existe ningún fluido perfectamente isoentrópico. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Los fluidos isoentrópicos tienen dos extremos (d s /d T =0) en la curva de vapor de saturación. En la práctica, hay algunos fluidos que se aproximan mucho a este comportamiento o al menos en un cierto rango de temperatura, por ejemplo, el triclorofluorometano (CCl _{3 F). Otro problema es el grado de sequedad o isotropía del fluido, lo cual tiene una importancia práctica significativa al diseñar, por ejemplo, un ciclo Rankine orgánico y elegir el expansor adecuado. G. Györke et al.} ^{[ 5 ]} propusieron un nuevo tipo de clasificación para resolver los problemas y deficiencias del sistema de clasificación tradicional de tres clases. La nueva clasificación también se basa en la forma de la curva de vapor de saturación del fluido en el diagrama temperatura-entropía, de forma similar a la tradicional. La clasificación utiliza un método basado en puntos característicos para diferenciar los fluidos. El método define tres puntos característicos primarios y dos secundarios. La ubicación relativa de estos puntos en la curva de saturación temperatura-entropía define las categorías. Todo fluido puro tiene puntos característicos primarios A, C y Z:

• Los puntos primarios A y Z corresponden a las temperaturas más bajas en las curvas de saturación de líquido y vapor, respectivamente. Esta temperatura se corresponde con el punto de fusión , que prácticamente equivale al punto triple del fluido. La elección de A y Z se refiere visualmente al primer y último punto de la curva de saturación.
• El punto primario C se refiere al punto crítico , que es una propiedad termodinámica de los fluidos ya bien definida .

Los dos puntos característicos secundarios, M y N, se definen como extremos de entropía local en la curva de vapor de saturación, más precisamente, en aquellos puntos donde, al disminuir la temperatura de saturación, la entropía permanece constante: d s /d T =0. Podemos observar fácilmente que, según la clasificación tradicional, los fluidos de tipo húmedo solo tienen puntos primarios (A, C y Z), los fluidos de tipo seco tienen puntos primarios y exactamente un punto secundario (M), y los fluidos de tipo isoentrópico redefinidos también tienen puntos primarios y secundarios (M y N). Véase la figura para una mejor comprensión.

El orden ascendente de los valores de entropía de los puntos característicos proporciona una herramienta útil para definir categorías. El número matemáticamente posible de ordenaciones es 3! (si no hay puntos secundarios), 4! (si solo existe el punto secundario M) y 5! (si existen ambos puntos secundarios), lo que da un total de 150. Existen algunas restricciones físicas, incluida la existencia de los puntos secundarios, que reducen el número de categorías posibles a 8. Las categorías se nombrarán según el orden ascendente de la entropía de sus puntos característicos. Es decir, las 8 categorías posibles son ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM y ACNMZ. Las categorías (también llamadas secuencias) se pueden ajustar a la clasificación tradicional de tres clases, lo que hace que los dos sistemas de clasificación sean compatibles. No se han encontrado fluidos de trabajo que puedan ajustarse a las categorías ACZM o ACNZM. Estudios teóricos ^{[ 6 ] [ 7 ]} confirmaron que estas dos categorías podrían ni siquiera existir. Basándonos en la base de datos del NIST , ^{[ 8 ]} las 6 secuencias probadas de la nueva clasificación y su relación con la tradicional se pueden ver en la figura.