Engineering
Almacenamiento de aire comprimido
Cargue los depósitos con un compresor y vuelva a sacar el aire a través de un expansor. Deseche el calor de compresión en un enfriador, guárdelo en un acumulador de roca o déjelo en el aire, mantenga la carga durante horas y compare lo que devuelve cada ciclo.
Qué ocurre
Depósitos de acero de 25 m³ cada uno guardan el aire entre 4 y 20 bar. Un compresor con un rendimiento isentrópico del 85 % introduce aire ambiente; cuanto mayor es la presión contra la que trabaja, más caliente sale el aire: 459 K al comprimir hasta 4 bar y 757 K hasta 20 bar. El aire caliente entra en el depósito tal cual, a través de un enfriador posterior que desecha su calor o a través de un acumulador de roca que lo conserva. A la salida, un expansor lleva el aire desde la presión del depósito hasta la atmosférica y mueve un generador; con el acumulador, el aire recupera primero el calor. La pared del depósito intercambia calor con el exterior: 150 W/K.
Un ciclo de 50 m³ de 4 a 20 bar y de vuelta, a 1 kg/s: si el calor se queda en el aire, se recupera el 65,1 % de la electricidad, pero solo mientras el aire siga caliente; tras dos horas de espera se recupera el 23,7 %. El enfriador posterior desecha el calor en el acto: 34,9 %. El acumulador de roca devuelve el 52,6 %, y el 35,2 % al cabo de dos horas. Si se expandiera desde la temperatura ambiente, el aire saldría muy por debajo del punto de congelación: partiendo de 20 °C a 20 bar, el escape sale a 150 K.
Modelo: gas ideal con calores específicos constantes en un único depósito bien mezclado, con el primer principio para un sistema abierto aplicado a su masa y a su energía interna; compresor y expansor como etapas adiabáticas únicas; intercambiadores de calor de eficacia 0,9; el acumulador, una única capacidad calorífica de 0,5 MJ/K con una pequeña pérdida; RK4 con paso de 1 s.
Qué probar
Haga un ciclo con cada forma de tratar el calor y compare los rendimientos del ciclo. Después mantenga la carga unas horas: el aire caliente se enfría y su calor se lleva energía consigo.
Ecuaciones del módulo
Ecuaciones T_c = T_a·(1 + (π^((γ−1)/γ) − 1)/η_c) d(m·u)/dt = q_in·h_in − q_out·h + UA·(T_a − T) p·V = m·R·T P_e = η_g·q·c_p·(T_in − T_out)
