Um modelo termodinâmico para análise e seleção de um fluido de trabalho para um ciclo rankine orgânico com um aquecedor de fluido de alimentação aberto

Abstract

O ciclo Rankine orgânico (CRO) é considerado uma tecnologia renovável alternativa na produção energética. Sua concepção contribui para a redução de impactos ambientais como a poluição do ar e o subsequente aquecimento global. Atualmente, diversos pesquisadores e empresas do segmento energético trabalham em busca do aumento da eficiência térmica deste tipo de ciclo para produção de energia elétrica. A utilização de regeneradores (aquecedores de água de alimentação) contribui significativamente para o aumento da eficiência térmica de plantas energéticas deste tipo. Diversos estudos sobre otimização de parâmetros de operação e seleção de fluidos de trabalhos vêm sendo desenvolvidos em convergência a este objetivo. O propósito deste estudo é desenvolver um modelo de seleção de fluidos de trabalho a partir de seu desempenho térmico. Para isto, foram realizadas simulações termodinâmicas de diversos fluidos orgânicos operando em diferentes ciclos termodinâmicos (subcrítico, subcrítico com superaquecimento e supercrítico) a partir de variáveis de entrada adimensionais (percentuais dos valores críticos de cada fluido) pré-definidas. Os resultados destas simulações foram utilizados para o desenvolvimento de regressões lineares múltiplas capazes de expressar o comportamento das variáveis ETC e TLE em função dos parâmetros de entrada. Dois métodos foram desenvolvidos para a seleção de fluidos com melhor desempenho térmico, um baseado na máxima ETC obtida pelos fluidos de trabalho e outro baseado na ETC média produzida pelos mesmos sob diversas condições de operação. A validação dos métodos se baseou na comparação entre os valores de ETC e TLE obtidos a partir das leis clássicas da termodinâmica e os valores de ETC e TLE obtidos pelo método da regressão linear múltipla desenvolvido. Os resultados demonstraram que os modelos para obtenção da ETC e seleção de fluidos em função desta variável demonstrou alta assertividade, com valores de desvio praticamente desprezíveis, o que não ocorreu para o TLE, onde os modelos de regressão desenvolvidos não apresentaram elevada representatividade estatística.

The Organic Rankine cycle (ORC) is considered an alternative renewable technology in energy production. Its design contributes to the reduction of environmental impacts such as air pollution and the subsequent global warming. Currently, several researchers and companies in the energy segment are working to increase the thermal efficiency of this type of cycle for the production of electrical energy. The use of regenerators (feed water heaters) contributes significantly to increasing the thermal efficiency of energy plants of this type. Several studies on optimization of operating parameters and selection of working fluids have been developed in convergence to this objective. The purpose of this study is to develop a model for selecting working fluids based on their thermal performance. For this, thermodynamic simulations of several organic fluids were performed operating in different thermodynamic cycles (subcritical, subcritical with superheating and supercritical) from pre-defined dimensionless input variables (percentages of the critical values of each fluid). The results of these simulations were used to develop multiple linear regressions able to express the behavior of the ETC and TLE variables according to the input parameters. Two methods were developed for the selection of fluids with greater thermal performance, one based on the maximum ETC obtained by the working fluids and the other one based on the average ETC produced under different operating conditions. The validation of the methods was based on the comparison between the ETC and TLE values obtained from the classical laws of thermodynamics and the ETC and TLE values obtained by the developed method of multiple linear regression. The results showed that the models for obtaining the ETC and for the fluid selection according to this variable demonstrated high assertiveness, with deviation values practically negligible, which did not occur for the TLE, where the regression models developed did not present high statistical representativeness.