Análise teórica de ciclos Rankine orgânico e projeto de bancada de testes em pequena escala - Scagnolatto, Guilherme (2020)
O ciclo Rankine orgânico é apresentado como rota tecnológica com grande potencial de crescimento para recuperação de calor de baixa temperatura, em especial, para geração de eletricidade. A aplicação dessa rota tecnológica em escalas inferiores a 2 MWe e/ou a fontes térmicas de temperaturas inferiores a 200 °C confere ao ciclo Rankine orgânico vantagens sobre outras tecnologias de conversão de energia termelétrica. Para analisar o efeito que parâmetros de projeto e de operação, como o fluido de trabalho utilizado, temperaturas de condensação, de evaporação e de entrada no expansor, e presença de recuperador de calor, exercem na eficiência térmica do ciclo, um modelo analítico para cálculo da eficiência térmica de ciclos subcríticos foi desenvolvido e expandido a partir do modelo proposto por Wang et al. (2018a), que desenvolveram um modelo para ciclos saturados e superaquecidos, sem presença de recuperador de calor. O modelo proposto neste trabalho inclui os efeitos do recuperador de calor nos ciclos e das eficiências isoentrópicas da bomba e do expansor. Para validação do modelo proposto, foram consideradas temperaturas de condensação de 10 °C a 60 °C ou a 30% do valor da temperatura crítica do fluido, e temperaturas de evaporação até, no máximo, 99,5% da temperatura crítica do fluido. Foram comparados os valores de eficiência térmica obtidos pelo método analítico com os valores obtidos pela solução numérica convencional. Após a validação do modelo proposto, realizaram-se análises dos efeitos que os parâmetros de projeto e de operação mencionados exercem na eficiência térmica do ciclo, através de inspeção da ordem de grandeza das variáveis envolvidas no cálculo. Concluiu-se que o superaquecimento do fluido de trabalho não altera significativamente a eficiência térmica do ciclo quando o ciclo não possui recuperador de calor, porém pode promover aumento significativo na eficiência quando um recuperador de calor está presente; a presença de um recuperador de calor no ciclo, seja saturado, seja superaquecido, também pode promover aumento considerável na eficiência térmica do ciclo. A eficiência isoentrópica do expansor influencia mais a eficiência térmica do ciclo do que a eficiência isoentrópica da bomba, que, mesmo assim, não deve ser negligenciada. Por fim, esses resultados serviram de base para o projeto de uma bancada de testes para avaliação experimental de ciclos Rankine orgânico subcríticos, mas já preparada para operar ciclos em condições transcríticas e supercríticas.