Modelagem do comportamento integrado de um sistema de coletor cilíndrico parabólico operando com ciclo Rankine orgânico e armazenamento térmico de dois tanques

The main objective of this thesis was to develop a mathematical modeling of a Parabolic Cylindrical Collector System integrated to an Organic Rankine Cycle with Thermal Storage as an option to generate electricity of both low and medium capacity, friendly to the environment and that is able to respond to the intermittence of the renewable energy sources, as is the case of solar energy. Matlab was used as the computational tool to develop the mathematical models. Different heat transfer fluids (Water, Donwtherm A, Donwthwer Q e Syltherm 800) and working fluids (R-245fa, R-141b and R-123) were analyzed in order to determine the influence of these on the use of thermal energy, the electricity generated by the system and on the behavior of the turbine. In addition, the preliminary design of a radial turbine for the Rankine Organic Cycle was developed for three work fluids. For this, a mathematical model of the turbine was elaborated in Matlab, for different operating conditions. The onedimensional model is useful for determining the geometric and design parameters; it also represents the basis for developing the 3D analysis of the turbine using the program CFX-ANSYS. The 3D analysis of the turbine aims to analyze the pressure, velocity and temperature profiles of each of the geometries obtained for each working fluid, besides allowing to determine the behavior of the turbine at the design point and out this point. Conditions from which the analysis of the integrated behavior of the system proposed in this thesis is developed.From the analysis of the integrated behavior of a Parabolic Cylindrical Collector operating with an Organic Rankine Cycle and Thermal Storage of Two Tanks, it was possible to determine for the conditions and parameters defined in this thesis that a pair of tanks with a diameter of 4 m, height of 4,55 m and using the Downtherm A as the system fluid, ensures generation of approximately 7,4 kWe over a period of 3 hours 26 min. In addition, it was determined that for the analyzed day, the Parabolic Cylinder Collector system contributes with 63,6 % of the energy supplied to the Organic Rankine Cycle system, while the storage system contributes with 36,4 %. The approach of the 3D design of the radial turbine presented in this thesis, allowed to determine that the efficiency of the turbine changes as a function of the operating condition and the working fluid. These results show that for the analysis of Organic Rankine Cycle behavior, it is important to determine the efficiency value for the analyzed condition, and should not be defined as a constant value.Agência 1O objetivo principal desta tese é desenvolver a modelagem matemática de um sistema de Coletores Cilíndricos Parabólicos integrado a um Ciclo Rankine Orgânico, com armazenamento térmico, como uma opção de pequenas e médias capacidades, que consigam responder à intermitência das fontes de energia renovável, como é o caso da energia solar. Para desenvolver os modelos matemáticos foi utilizada a ferramenta computacional Matlab. Foram analisados diferentes fluidos de transferência de calor (Água, Donwtherm A, Donwthwer Q e Syltherm 800) e fluidos de trabalho (R-245fa, R-141b e o R-123), com o propósito de determinar a influência destes sobre o aproveitamento da energia térmica, a eletricidade gerada pelo sistema e sobre o comportamento da turbina. Também, foi desenvolvido o projeto preliminar de uma turbina radial para o Ciclo Rankine Orgânico, para três fluidos de trabalhos. Para isto, foi elaborado um modelo matemático unidimensional da turbina em Matlab, para diferentes condições de operação. O modelo unidimensional é útil para determinar os parâmetros geométricos e de projeto, e representa a base para desenvolver a análise 3D da turbina, com o uso do programa CFX-ANSYS. A análise 3D da turbina permite determinar os perfis de pressão, de velocidade e de temperatura de cada uma das geometrias obtidas para cada fluido de trabalho, além de permitir determinar o comportamento da turbina no ponto de projeto e fora deste ponto. Condições a partir da qual se desenvolve a análise do comportamento integrado do sistema proposto nesta tese.Da análise do comportamento do sistema de Coletor Cilíndrico Parabólico integrado ao Ciclo Rankine Orgânico, com armazenamento térmico de dois tanques foi possível determinar para as condições e parâmetros definidos nesta tese, que um par de tanques com diâmetro de 4 m, altura de 4,55 m e utilizando o Downtherm A como fluido do sistema, permite garantir a geração de aproximadamente 7,4 kWe durante um período de 3 horas 26 min. Ademais se determino que para o dia analisado, o sistema de Coletor Cilíndrico Parabólico contribui com 63,6 % da energia fornecida ao sistema Ciclo Rankine Orgânico, enquanto que o sistema de armazenamento contribui com o 36,4 %. A abordagem do projeto 3D da turbina radial apresentada nesta tese permitiu determinar que a eficiência da turbina varia em função da condição de operação e o fluido de trabalho, os resultados mostram que para a análise do comportamento do Ciclo Rankine Orgânico é importante determinar o valor da eficiência para a condição analisada, e não deve ser definido como um valor constante