Equilíbrio de fases e densidade de misturas de fluido refrigerante e óleo lubrificante: R-290 + POE ISO 32 e R-1234yf + POE ISO 68

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: De Luca, Luís Gustavo Medeiros
Orientador(a): Barbosa Junior, Jader Riso
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Link de acesso: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269809
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2025.
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spelling Universidade Federal de Santa CatarinaDe Luca, Luís Gustavo MedeirosBarbosa Junior, Jader RisoCzubinski, Fernando Freitas2025-10-31T23:31:45Z2025-10-31T23:31:45Z2025394438https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/269809Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2025.O aumento das restrições regulatórias ao uso de hidrofluorcarbonetos (HFCs) de alto Potencial de Aquecimento Global (GWP) e a busca por alternativas para o aproveitamento de calor de baixa temperatura têm impulsionado a adoção de ciclos Rankine orgânicos (CRO) operando com fluidos de baixo impacto ambiental. Em CROs de pequena escala, que utilizam predominantemente expansores volumétricos lubrificados, a mistura de fluido refrigerante e óleo lubrificante circula pelos componentes do ciclo, e seu comportamento termodinâmico influencia diretamente a eficiência, a confiabilidade e a modelagem do ciclo. Neste contexto, esta tese investiga experimentalmente e teoricamente o equilíbrio de fases e a densidade de misturas de fluidos refrigerantes de baixo impacto ambiental, 2,3,3,3-tetrafluorpropeno (R-1234yf) e propano (R-290), com óleos lubrificantes de polioléster (POE), visando preencher lacunas na literatura para aplicações em ciclos Rankine orgânicos. Para isso, foi utilizada uma bancada experimental que integra o método sintético visual para medição de pressão de ponto de bolha e um densímetro de tubo vibrante. Para a mistura de R-290 e POE ISO 32, as medições foram realizadas em temperaturas de 283,15 a 343,15 K e frações molares de R-290 de 0,2149 ± 0,0245 a 0,8140±0,0041. O sistema exibiu miscibilidade completa em toda a faixa, com equilíbrio exclusivamente líquido-vapor. A correlação dos dados com as equações de estado Peng-Robinson (PR), Patel-Teja-Valderrama (PTV) e PC-SAFT mostrou que a PC-SAFT teve o melhor desempenho na previsão da pressão de ponto de bolha, com um desvio absoluto relativo médio (AARD) de 3,27%, enquanto as equações cúbicas apresentaram desvios maiores. Nos cálculos de densidade, a equação de estado PC-SAFT também foi superior, e a aplicação da translação de volume na equação PR melhorou significativamente sua precisão. A mistura de R-1234yf e POE ISO 68 foi analisada entre 288,15 e 348,15 K para frações molares de R-1234yf de 0,2469 ± 0,0231 a 0,9500 ± 0,0039. Para esta mistura, foi observada uma região de equilíbrio líquido-líquido vapor (ELLV). As equações de PR e PTV com regras de mistura convencionais não previram a imiscibilidade. No entanto, a combinação da PR com a regra de mistura de Huron-Vidal e o modelo NRTL conseguiu detectar o ELLV e apresentou o melhor ajuste aos dados de equilíbrio de fases, com um AARD de 1,61%. Para a densidade desta mistura, a PC-SAFT demonstrou a melhor concordância (AARD de 0,75%), seguida pela PR com translação de volume (AARD de 0,85%). Adicionalmente, foram realizadas medições de calor específico para os óleos POE 32 e POE 68. A avaliação sistemática das equações de estado indicou a superioridade da PC-SAFT para correlacionar tanto as pressões de ponto de bolha quanto as densidades, além de prever fenômenos de imiscibilidade. As equações cúbicas, embora limitadas em composições extremas, tiveram seu desempenho aprimorado pela aplicação de translação de volume e regras de mistura avançadas. Para sistemas com alta não-idealidade, o uso de regras de mistura baseadas em modelos de coeficiente de atividade, como a de Huron-Vidal-NRTL, mostrou-se essencial para uma representação precisa do comportamento de fases.Abstract: The increasing regulatory restrictions on the use of high Global Warming Potential (GWP) hydrofluorocarbons (HFCs) and the search for alternatives for low-temperature heat recovery have driven the adoption of organic Rankine cycles (ORCs) operating with low environmental impact fluids. In small-scale ORCs, which predominantly use lubricated volumetric expanders, the mixture of refrigerant fluid and lubricating oil circulates through the cycle components, and its thermodynamic behavior directly influences the efficiency, reliability, and modeling of the cycle. In this context, this thesis experimentally and theoretically investigates the phase equilibrium and density of mixtures of low GWP refrigerants, 2,3,3,3-tetrafluoropropene (R-1234yf) and propane (R-290), with polyolester (POE) lubricating oils, aiming to fill gaps in the literature for applications in organic Rankine cycles. For this purpose, an experimental setup was developed that integrates the synthetic-visual method for bubble-point pressure measurement and a vibrating tube densimeter. For the R-290 and POE ISO 32 mixture, measurements were carried out at temperatures between 283.15 and 343.15 K and R-290 mole fractions ranging from 0.2149 ± 0.0245 to 0.8140 ± 0.0041. The system exhibited complete miscibility over the entire range, with exclusively liquid-vapor equilibrium. The correlation of the data with the Peng-Robinson (PR), Patel-Teja-Valderrama (PTV), and PC-SAFT equations of state showed that PC-SAFThadthebest performance in predicting the bubble point pressure, with a mean absolute relative deviation (AARD) of 3.27%, while the cubic equations showed larger deviations. In the density calculations, PC-SAFT was also superior, and the application of volume translation in the PR equation significantly improved its accuracy. The R-1234yf and POE ISO 68 mixture was analyzed between 288.15 and 348.15 K for R-1234yf mole fractions from 0,2469 ± 0.0231 to 0.9500 ± 0.0039. For this mixture, liquid-liquid-vapor equilibrium (LLVE) was observed. When applied with conventional mixing rules, both the PR and PTV equations failed to capture the observed immiscibility. However, the combination of the PR with the Huron Vidal mixing rule and the NRTL model was able to detect the LLVE and showed the best fit to the phase equilibrium data, with an AARD of 1.61%. For the density of this mixture, PC-SAFT showed the best agreement (AARD of 0.75%), followed by PR with volume translation (AARD of 0.85%). The cubic equations, although limited at extreme compositions, showed improved performance by the application of volume translation and advanced mixing rules. For systems with high non-ideality, the use of mixing rules based on activity coefficient models, such as Huron-Vidal-NRTL, proved to be essential for an accurate representation of the phase behavior.129 p.| il., tabs.porEngenharia mecânicaEquilíbrio vapor-líquidoDensidadeEquações de estadoÓleos lubrificantesEquilíbrio de fases e densidade de misturas de fluido refrigerante e óleo lubrificante: R-290 + POE ISO 32 e R-1234yf + POE ISO 68info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALPEMC2437-T.pdfPEMC2437-T.pdfapplication/pdf4871065https://repositorio.ufsc.br/bitstream/123456789/269809/-1/PEMC2437-T.pdfa1f37b87ec1a90d50bc26ee2c7ec69a8MD5-1123456789/2698092025-10-31 20:31:45.818oai:repositorio.ufsc.br:123456789/269809Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestsandra.sobrera@ufsc.bropendoar:23732025-10-31T23:31:45Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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