Análise termodinâmica e simulação de um Ciclo Rankine Orgânico (ORC)

Abstract

O presente trabalho propõe um modelo para simulação de um ciclo de potência que opera segundo um ciclo de Rankine com um fluido de trabalho orgânico. Os resultados do modelo simulado com o auxílio do programa Engineering Equation Solver (EES) são validados frente a um estudo de referência que busca a temperatura de evaporação que maximiza a eficiência do ciclo para diferentes fluidos orgânicos. O presente trabalho parte dessa otimização e analisa a sensibilidade do modelo em relação ao pinch point escolhido entre o fluido de trabalho R245fa e a fonte quente. A diminuição do pinch point leva à redução da eficiência do ciclo e ao aumento da área da superfície de transferência de calor com a fonte quente. A passagem do pinch point de 10K para 1K resulta na redução linear da eficiência do ciclo em aproximadamente 3% por grau de temperatura. Paralelamente, a mesma variação do pinch point leva a um aumento da superfície de troca térmica, através de dois comportamentos distintos. Primeiramente, entre 10K e 5K, de forma linear, em torno de 10% por variação unitária de temperatura. Já a partir de 5K, esse crescimento aumenta gradativamente, chegando a uma elevação de cerca de 20% para pinch point próximos de 1K. Consequentemente, cada redução unitária da temperatura do pinch point leva a ciclos linearmente menos eficientes e com trocadores crescentemente maiores e mais caros.

This paper proposes model for simulation of a power cycle that operates on a Rankine cycle with an organic working fluid. The results of the simulated model with help of the software Engineering Equation Solver (EES) are validated comparing to a reference study that pursuits the evaporation temperature that maximizes the cycle efficiency that for different working fluids. This paper begins from this optimization and analyses the model sensibility related to the chosen pinch point between working fluid R245fa and the hot source. The decreasing of the pinch point leads to the reduction of the efficiency of the cycle and to the increase of the heat transfer surface area with the hot source. The change of the pinch point from 10K to 1K results on a linear decreasing of the cycle efficiency in approximately 3% per degree of temperature. Ate the same time, the same range of the pinch point leads to an increase of the surface of heat exchange, through two different manners. Primarily, between 10K and 5K, linearly, aroun 10% per temperature unit change. From 5K, this increasing enhances gradually, reaching an elevation of around 20% for pinch points near 1K. Hence every unit reduction of the pinch point temperature leads to cycles linearly less efficient and heat exchangers increasingly larger and more expansive.