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

Abstract

O dióxido de carbono é um dos principais componentes dos gases de efeito estufa (GEE) e seu aumento traz diversas preocupações ao mundo. Por este motivo a redução dos GEE é um dos principais assuntos discutidos internacionalmente. Estas discussões vão desde a substituição dos combustíveis fósseis na geração de energia, até medidas para otimizar e tornar mais eficiente a geração e utilização da energia. A principal função dos engenheiros e cientistas, neste contexto, é desenvolver métodos alternativos de geração de energia de modo que nossa dependência por combustíveis fósseis seja cada vez menor. Um dos métodos para geração de energia elétrica é a partir de centrais termoelétricas, que são baseadas em ciclos de potência a vapor (Ciclo Rankine), onde a energia térmica é transformada em energia elétrica. Diante de todo contexto apresentado, o presente trabalho teve como objetivo estudar a eficiência térmica e o trabalho líquido específico de um ciclo Rankine utilizando um aquecedor de fluído de alimentação fechado, diferentes fluídos de trabalho orgânicos e três modelos de ciclo. O intuito foi encontrar os parâmetros de operação que proporcionavam os maiores valores de eficiência térmica e trabalho específico por fluído e modelo de ciclo, classificar os melhores fluídos por ciclo, e para estes classificados, descrever um modelo matemático para a eficiência térmica e trabalho líquido específico. Por fim, foi elaborado um método de seleção de fluído de trabalho a partir da eficiência térmica e do trabalho líquido específico. Este método é formado por uma matriz de seleção e as tabelas de desempenho dos principais fluídos (classificados como melhores). A matriz de seleção apresenta os melhores fluídos por faixa absoluta de operação (caldeira e regenerador) e as tabelas de desempenho apresentam todos os valores absolutos dos parâmetros, a combinação entre eles e os resultados de eficiência térmica e trabalho líquido específico. Os fluídos de trabalho utilizados são classificados como molhados, secos e isentrópicos. Entre os fluídos molhados o que apresentou melhor desempenho tanto para eficiência térmica quanto para trabalho líquido específico foi o metanol. Entre os fluídos secos o que apresentou melhor desempenho tanto para eficiência térmica quanto para trabalho líquido específico foi o R141b. E nos fluídos isentrópicos o que se destacou em relação a eficiência térmica foi o R113 e ao trabalho líquido específico foi o isopentano. O trabalho foi concluído com sucesso, pois todos os objetivos propostos foram alcançados. Este estudo se limita aos valores dos parâmetros utilizados, assim como, os fluídos de trabalho e modelos de ciclos.

Carbon dioxide is one of the main components of greenhouse gases (GHG) and its increase brings several concerns to the world. For this reason, the reduction of GHG is one of the main issues discussed internationally. These discussions range from replacing fossil fuels in power generation, to measures to optimize and make energy generation and use more efficient. The main function of engineers and scientists, in this context, is to develop alternative methods of generating energy so that our dependence on fossil fuels becomes less and less. One of the methods for generating electrical energy is from thermoelectric power plants, which are based on steam power cycles (Rankine Cycle), where thermal energy is transformed into electrical energy. In view of the context presented, the present study aimed to study the thermal efficiency and the specific network of a Rankine cycle using a closed feed fluid heater, different organic working fluids and three cycle models. The aim was to find the operating parameters that provided the highest values of thermal efficiency and specific work by fluid and cycle model, to classify the best fluids per cycle, and for those classified, to describe a mathematical model for thermal efficiency and specific network. Finally, a method for selecting working fluid based on thermal efficiency and specific liquid work was developed. This method is formed by a selection matrix and the performance tables of the main fluids (classified as best). The selection matrix presents the best fluids by absolute operating range (boiler and regenerator) and the performance tables show all the absolute values of the parameters, the combination between them and the results of thermal efficiency and specific network. The working fluids used are classified as wet, dry and isentropic. Among the wet fluids, the one that showed the best performance for both thermal efficiency and specific liquid work was methanol. Among the dry fluids, the one with the best performance for both thermal efficiency and specific liquid work was R141b. And in isentropic fluids, what stood out in relation to thermal efficiency was R113 and the specific liquid work was isopentane. The work was successfully completed, as all the proposed objectives were achieved. This study is limited to the values of the parameters used, as well as the working fluids and cycle models