Análise de misturas de fluidos orgânicos e dióxido de carbono para aplicação em ciclos de potência

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.O aproveitamento de fontes de média e baixa temperatura em ciclos Rankine de potência, surge como uma importante alternativa para reduzir a emissão de gases de efeito estufa e aumentar a eficiência energética de processos industriais. No entanto, a escolha do fluido de trabalho para esta aplicação torna-se desafiante devido à variedade de fluidos disponíveis e às questões técnicas e ambientais envolvidas. Assim, o CO2 (dióxido de carbono) vem sendo considerado nos últimos anos como um fluido promissor para ciclos de potência. Contudo, parâmetros como temperatura de condensação e pressões de operação limitam seu uso em ciclos Rankine para esse tipo de fontes. Por outro lado, muitos dos fluidos orgânicos adequados para tais níveis de temperatura e tipo de ciclo possuem características negativas no que diz respeito às questões ambientais e de segurança. Diante do exposto, o propósito deste trabalho foi desenvolver um estudo detalhado sobre o uso de misturas binárias com fluidos orgânicos e CO2 em ciclos Rankine, utilizando rejeito térmico como fonte de calor e considerando-se não só parâmetros de desempenho do sistema, mas também aspectos técnicos e ambientais. Os resultados iniciais obtidos através de otimização multiobjectivo e com misturas de fluidos orgânicos mostraram que o número de misturas ótimas diminui à medida que a temperatura da fonte de calor aumenta, sendo que o R245fa e pentano compõem um grande número destas misturas. Na continuidade do trabalho, demonstrou-se que enquanto misturas com grandes frações de massa de refrigerante tendem termodinamicamente a superar as misturas quase puras de CO2, estas últimas são capazes de fornecer níveis competitivos de desempenho, quando parâmetros técnicos e ambientais do ciclo e do fluido de trabalho são considerados. Por fim, caracterizou-se o equilíbrio de fases de uma mistura binária de CO2/R161, a qual destacou-se entre os fluidos de trabalho favoráveis para aplicações de ciclos Rankine com fontes de calor residual; obtendo-se assim resultados relevantes para validação experimental de propriedades termodinâmicas desta mistura.Abstract : The use of medium and low temperature sources in Rankine power cycles appears as an important alternative to reduce the greenhouse gases emission and increase the energy efficiency of industrial processes due to the great affluence of this resource. However, the choice of working fluid for this application becomes challenging, because of the variety of fluids available and technical and environmental issues involved. In this sense, carbon dioxide (CO2) has been considered in recent years as a promising fluid for power cycles. Nevertheless, parameters such as condensation temperature and operating pressures, limit its use in Rankine cycles for that type of sources. On the other hand, many of the organic fluids suitable for such temperature levels and cycle types have negative characteristics with regard to environmental and safety issues. In light of this, the purpose of this work was to develop a detailed study on the use of binary mixtures with organic fluids and CO2 in Rankine cycles, using thermal waste as heat source and considering not only system performance parameters, but also technical and environmental aspects. Initial results obtained through multiobjective optimization and organic fluid mixtures showed that the number of optimal mixtures decreases as the heat source temperature increases, with R245fa and pentane composing a large number of these mixtures. In the continuity of the work, it has been shown that while blends with large refrigerant mass fractions tend to thermodynamically overcome the nearpure CO2 blends, the latter are able to provide competitive performance levels, when technical and environmental parameters of cycle and working fluid are considered. Finally, the phase equilibrium of CO2/R161 mixture, was determined, which stood out among the favorable working fluids for Rankine cycle applications with waste heat sources; thus obtaining relevant results for experimental validation of thermodynamic properties of this mixture