Acionador primário
2.5. Ciclo Rankine Orgânico (ORC)
2.5.3. Fluidos de Trabalho
Para as principais aplicações apresentadas, todas possuem faixa de temperatura variadas, seja ela para a fonte fria como para a fonte quente do sistema. Para cada faixa de temperatura de operação, existe um fluido que pode oferecer, não somente, uma maior eficiência de ciclo, mas também um menor custo específico de instalação. Por tal motivo, a modelização de seleção dos fluidos orgânicos, é um dos pontos cruciais para o desenvolvimento de sistemas ORC (AOUN, 2008).
A característica que distingue os fluidos orgânicos são suas propriedades termofísicas; em especial a inclinação da curva de saturação no diagrama Temperatura-Entropia. Esta inclinação pode ser negativa, isentrópica ou positiva, como mostrado na Figura 2.28. No caso de fluidos secos e isentrópicos não há necessidade de superaquecimento. Devido à expansão isentrópica teórica na turbina, no caso de fluidos úmidos, o superaquecimento deve ser aplicado a fim de evitar a criação de gotículas de líquido durante a expansão na turbina que prejudicariam as pás da turbina (SALEH, 2007).
Figura 2.28. Diagrama T-s de curvas de saturação típicas de (Isopentano) um fluido seco (R-22) fluido úmido e (R-11) fluido isentrópico (QUOILIN, 2011a).
Fluidos secos mostram uma melhor eficiência térmica porque o fluido de trabalho não condensa após passar através da turbina, ao contrário do que acontece com os fluidos úmidos que produz condensado após a expansão. Isto significa que o processo de expansão na turbina termina ainda na região superaquecida; por tal motivo antes de dirigir o fluido de trabalho para o condensador, é vantajoso incorporar um recuperador de calor no ciclo. Desta forma, a temperatura média de transferência de calor para o ciclo é mais elevada, enquanto que a temperatura média de transferência de calor para o ambiente é inferior do que no caso sem recuperador de calor interno. Isto contribui para uma maior eficiência térmica do ciclo (QUOILIN, 2011a). A comparação entre fluidos secos e a fluido úmido (água) é apresentada na Figura 2.29 em um diagramas T-S.
Figura 2.29. Comparativo entre curvas de saturação para diversos fluidos (QUOILIN, 2013).
Segundo Auon (2008) é possível estimar a eficiência ideal de um ciclo Rankine em função do fluido adotado e da temperatura de operação (Figura 2.29). A simulação considera como parâmetros fixos: a temperatura de condensação de 80 °C, eficiência de turbina e bomba de 100% e a temperatura de subresfriamento de 10 °C de superaquecimento de 25 °C.
Além das propriedades termofísicas existem os critérios de segurança, impacto ambiental, custo e disponibilidade que também devem ser considerados. Os parâmetros importantes são os seguintes (TARIQUE, 2011):
Desempenho termodinâmico: a eficiência e/ou a potência de saída deve ser a mais elevada possível. Isto geralmente envolve baixo consumo das bombas (representado pelo valor de BWR) e elevado ponto crítico.
Curva de saturação positiva ou isentrópica do vapor: Uma curva de saturação negativa (fluido úmido) leva à formação de gotas no final da expansão. O vapor deve ser superaquecido na entrada da turbina para evitar danos na mesma com queda do desempenho do ciclo.
Elevada densidade do vapor: este parâmetro é de suma importância especialmente para fluidos com baixa pressão de condensação (exemplo óleos de silicone). A baixa densidade também implica equipamentos maiores (condensador e expansor).
Elevado calor latente de vaporização: Um fluido de trabalho pode absorver mais calor durante a evaporação. Por conseguinte, um fluido com elevado calor latente de vaporização é preferido para aumentar a eficiência do sistema; Pressões aceitáveis: pressões elevadas; elevam investimentos e a complexidade da planta.
Elevada estabilidade à temperatura de operação: diferente da água, os fluidos orgânicos podem sofrer deterioração química e decomposição a elevadas temperaturas. Lembrando que se um ORC opera com uma fonte de calor de baixa temperatura, o fluido de trabalho com baixo ponto de ebulição é preferido. No entanto, um ponto muito baixo de ebulição à pressão atmosférica pode exigir uma baixa temperatura de condensação; Baixo impacto ambiental e elevado nível de segurança: os principais parâmetros a considerar são: o potencial de contribuição à destruição da camada de ozônio (ODP), o potencial para aquecimento global (GWP), toxicidade e inflamabilidade.
2.5.4. Expansores
Em um sistema ORC, o expansor é o componente mais importante; sendo normalmente dividido em duas categorias: turbomáquinas (ex.: Radial e Axial) e máquinas de deslocamento positivo (ex.: Scroll, Screw, etc.). O desempenho e a eficiência do ciclo dependem fortemente da expansão do fluido de trabalho, sendo de grande influência as condições de operação e características da fonte de calor. Em geral, as turbomáquinas começam a apresentam um bom custo benefício a partir de 50 kW de potência, sendo dependentes do tipo de aplicação, da vazão e do tipo de fluido de trabalho, ao passo que máquinas de deslocamento positivo tem seu uso indicado – tecnicamente e economicamente – até potência de 200kW (QUOILIN et al., 2010a).
Figura 2.31. Expansores mais utilizados em sistemas ORC – sendo da esquerda para direita: duas máquinas de deslocamento positivo (Scroll e Screw) e duas turbomáquinas (Radial e Axial).
As máquinas de deslocamento positivo são geralmente compressores que trabalham em modo reverso. Algumas publicações, como Ingley et al. (2005), Declaye (2009), Quoilin (2010b) e Tarique (2011), sugerem o uso de compressores do tipo scroll com expansor de alta eficiência para sistemas ORC de pequena escala; atingindo eficiências acima de 70% com os fluidos de trabalho R-134a e R-245fa,m adotando uma relação de compressão entre três e cinco (INGLEY et al., 2005).
O uso de expansores de deslocamento positivo é vantajoso em comparação com turbomáquinas para uso em aplicações de baixas potências, pois permitem operar em baixa rotação. Além disso, os expansores do tipo scroll permite uma expansão contínua, aproximando-se mais de uma turbina do que uma máquina a pistão, que possui interrupções, movimentos acelerados e a possibilidade de calço hidráulico. Outro motivo é a facilidade na
sua manutenção em virtude da pequena quantidade de partes móveis, diminuindo assim perdas por atrito e aumentando o tempo entre intervenções (INGLEY et al., 2005).
Turbomáquinas de pequena escala, para atingir desempenho similar a uma de grande escala, tem a necessidade de uma velocidade tangencial muito mais elevada, o que torna susceptível a presença de alta resistência mecânica, maior o atrito no rolamento e, além disso, exigem redução adicional de engrenagem. Além do mais, tem-se uma relação de pressão relativamente baixa entre cada fase de expansão, enquanto as máquinas de deslocamento positivo poderiam ser construídas com uma maior relação por estágio (CHEN, 2010).