Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Ciclo Orgânico de Rankine (ORC)

2° semestre/2017

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O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico que converte calor em trabalho. O calor é fornecido externamente para um ciclo fechado, usualmente utilizando água como fluido de trabalho.

Esse ciclo, baseado naágua, fornece aproximadamente 85% da produção mundial de eletricidade.

Aplicações do ciclo de Rankine utilizando outros fluidos são antigas. As primeiras aplicações foram em embarcações, utilizando nafta como fluido de trabalho, em uma máquina desenvolvida por Frank Ofeld, em 1883.

No entanto, essa tecnologia só foi desenvolvida de forma mais séria a partir dos anos 30 do século XX. Estudos importantes foram desenvolvidos depois da 2ª. Guerra Mundial, na Rússia, nos EUA e em Israel.

Hoje pode ser considerada uma forma de produção de energia bem conhecida e utilizada mundialmente, principalmente em aplicações utilizando biomassa e fontes geotérmicas.

Há grandes expectativas de que seja utilizada também com fontes de energia solar e outras aplicações de recuperação de calor.

Introdução

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O princípio do Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) está baseado em um turbo gerador trabalhando como um turbina a vapor convencional, ou outro tipo de expansor, para transformar energia térmica em mecânica e, posteriormente, em eletricidade.

Em lugar da água, o ORC vaporiza um fluido orgânico, caracterizado por uma massa molecular maior que a água, o que conduz à uma menor rotação da turbina e pressões mais baixas.

Além disso apresenta menor erosão nas partes metálicas e nas pás da turbina.

Operação de um ORC

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� A fonte quente aquece um fluido térmico (óleo ou água) até uma média temperatura, tipicamente entre 100 e 300 °C, em um circuito fechado;

� O fluido térmico circula em um trocador de calor, possibilitando a vaporização do fluido de trabalho;

� O fluido expande em uma turbina ou outro expansor, produzindo energia mecânica e posteriormente energia elétrica em um gerador;

� O vapor é então resfriado com um fluido externo, em um circuito fechado (água ou ar, por exemplo), condensando. No caso da água, a temperatura da corrente pode alcançar de 80 a 90 °C, podendo ser utilizada para diferentes aplicações de aquecimento;

� O fluido orgânico condensado é bombeado de volta ao trocador de calor (regenerador) para recomeçar o ciclo.

Operação de um ORC

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Esquema de um ORC

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Fonte: Turboden, 2016.

Uma máquina ORC tem um número de componentes mínimos, consistindo de um dispositivo produtor de potência, um gerador, uma bomba de alimentação, um evaporador, um condensador, um recuperador e a parte de controle do sistema.

Ciclo básico de um ORC

6

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Ciclo básico de um ORC

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No ciclo simples apresentado, o fluido de trabalho é bombeado desde o reservatório até a linha de alta pressão.

No evaporador, o rejeito térmico do processo é absorvido, sob pressão constante, passando de líquido comprimido para vapor saturado.

O vapor saturado, com elevada entalpia, é expandido no expansor, produzindo trabalho de eixo que, por sua, vez, aciona o gerador elétrico.

Na saída do expansor, o vapor encontra-se no estado de vapor superaquecido♣, a baixa pressão.

Após passar pelo condensador, dissipando calor, retorna à condição inicial.

♣Essa condição de saída será analisada posteriormente e depende das características termodinâmicas do fluido utilizado.

Ciclo básico de um ORC

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Bomba:

O trabalho consumido pela bomba é dado por:

onde h são as entalpias, é a taxa de massa e ηp é o rendimento isentrópico da bomba. Os sub-índices utilizados representam os estados termodinâmicos do fluido, de acordo com a figura anterior e s representa o estado final do fluido submetido a um processo de compressão isentrópico.

Evaporador:

A adição de calor pelo rejeito térmico ao fluido de trabalho, no evaporador, é dado por:

( ) ( )p

sp

hhmhhmW

η12

12−=−=

&&& (1)

m&

( )23 hhmQE −= && (2)

Ciclo básico de um ORC

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Expansor:

O trabalho produzido no expansor é dado por:

onde ηt é o rendimento isentrópico do expansor. O sub-índice s representa o estado final do fluido depois do processo de expansão isentrópico.

Condensador:

A rejeição de calor no condensador é dada por:

( ) ( ) tst hhmhhmW η4343 −=−= &&&(3)

( )14 hhmQc −= && (4)

Ciclo básico de um ORC: análise exergética

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Bomba:

A exergia destruída na bomba é dada por:

onde s são as entropias e T0 é a temperatura do estado morto de referência. Os sub-índices utilizados representam os estados termodinâmicos do fluido, de acordo com a figura anterior.

Evaporador:

A destruição de exergia no evaporador é dada por:

(5)

(6)

( )120 ssmTX p,dest −= &&

( ) ( )

−−−=

−−== −

HH

H,genevap,dest T

hhssmT

T

QssmTSTX 23

230230320 &

&

&&&

Ciclo básico de um ORC: análise exergética

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Expansor:

A exergia destruída no expansor é dada por:

Condensador:

A exergia destruída no condensador é dada por:

(7)

(8)

( )340 ssmTX t,dest −= &&

( ) ( )

−−−=

−−== −

LL

L,gencond,dest T

hhssmT

T

QssmTSTX 41

410410140 &

&

&&&

Ciclo básico de um ORC: análise exergética

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A potência líquida produzida pelo ciclo ORC será a diferença entre a potência produzida pelo expansor e a potência consumida pela bomba, de acordo como:

A eficiência térmica do ciclo ORC é dada pela razão entre a potência líquida e a potência térmica recebida no evaporador, de acordo como:

A exergia destruída total do ORC:

(9)

(10)

ptliq WWW &&& −=

−−−−=+++=LH

cond,destevap,destt,destp,desttotal,dest T

hh

T

hhmTXXXXX 4123

0 &&&&&&

E

ptth Q

WW&

&& −=η

(11)

Ciclo ORC com regenerador

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O rendimento térmico de um ORC pode ser aumentado pela adição de um trocador de calor interno, que opera como um regenerador. Nesse trocador, há uma troca térmica entre a corrente a baixa pressão e elevada temperatura que sai do expansor e a corrente a baixa temperatura e alta pressão que sai da bomba.

�a

�

�

�

�

�a

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A presença do regenerador nesse ciclo altera algumas expressões mostradas anteriormente.

Regenerador:

Desprezando a perda de pressão e as perdas térmicas do trocador para o ambiente, a efetividade do trocador é dada por:

A destruição de exergia no regenerador é dada por:

(12)

(13)

24

44

TT

TT

Q

Q a

máx

real

−−==

&

&

ε

( ) ( )[ ]22440 ssssmTX aareg,dest −+−= &&

Ciclo ORC com regenerador

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Evaporador:

A adição de calor pelo rejeito térmico ao fluido de trabalho, no evaporador, é dado por:

A destruição de exergia no evaporador será dada por:

(14)

(15)( )

−−−=H

aaevap,dest T

hhssmTX 23

230 &&

Ciclo ORC com regenerador

( )aE hhmQ 23 −= &&

3

m& 2a

QE

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Condensador:

O processo de condensação é definido pelas Eq. (16) e (17). A taxa de transferência de calor no condensador é dada por:

A destruição de exergia no condensador é dada por:

A exergia destruída total pode ser calculada como:

(16)

(17)( )

−−−=L

aacond,dest T

hhssmTX 41

410 &&

Ciclo ORC com regenerador

( )14 hhmQ ac −= &&

−−−−=+++=L

a

H

acond,destevap,destt,destp,desttotal,dest T

hh

T

hhmTXXXXX 4123

0 &&&&&& (18)

1m&

4a

QC

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Ciclo ORC com superaquecimento

Outra forma de aumentar o desempenho de um ORC é através da adição de um superaquecedor na saída do evaporador.

� Elevada eficiência do ciclo;� Elevada eficiência da turbina (acima de 85%);� Baixa fadiga mecânica da turbina pelas baixas velocidades periféricas;� Baixa rotação da turbina permitindo o acoplamento direto com o gerador, sem

necessidade de redutor;� Sem erosão nas pás da turbina devido a ausência de fase líquida nos bocais da

turbina;� Grande durabilidade do sistema;� Menor quantidade de calor é necessária para o processo de vaporização do fluido

de trabalho;� O processo de vaporização acontece em pressões de temperaturas menores;� Menores diferenças entre as temperaturas de condensação e vaporização,

conduzindo a menores relações de pressão, permitindo o uso de expansores de simples estágio.

Vantagens do ORC

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Vantagens do ORC: aplicações com energia solar

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Vantagens do ORC

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Fonte: Turboden, 2016.

Em função da temperatura da fonte térmica, as máquinas ORC podem ser classificadas em três níveis:

� Baixa temperatura: < 150 °°°°C

Geralmente utilizadas para recuperação de energia geotérmica ou rejeitos térmicos de baixa qualidade. Nessa faixa podem ser encontradas máquinas que operam entre 80 a 150 °C e outras de 60 a 120 °C.

� Média temperatura: entre 150 e 300 °°°°C

Utilizadas para recuperação de calor de combustão de produtos de biomassa.

� Alta temperatura: > 300 °°°°C

Ideais para recuperação de calor de máquinas térmicas (a gás ou diesel), flares e outros rejeitos térmicos de melhor qualidade. Essas máquinas geralmente operam com temperaturas na ordem de 350 °C, necessitando um fornecimento de energia térmica na ordem de 900 kW para produzir 165 kWe.

Fontes de temperatura

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� Máquinas muito pequenas, com potência nominal abaixo de 10 kW;

� Máquinas pequenas, de 10 a 100 kW;

� Máquinas médias, de 100 a 400 kW;

� Máquinas grandes, acima de 400 kW até alguns poucos MW.

Faixas de potência

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WHR – Waste heat recovery

Ao contrário das plantas de potência a vapor, que utilizam apenas água como fluido de trabalho, as máquinas ORC utilizam fluidos como:

� Hidrocarbonetos (HCs);

� Hidrofluorcabonos (HFCs);

� Hidrofluoroéteres (HFEs);

� Amônia (R-717).

� Outros refrigerantes alternativos estão sendo investigados em função da eliminação de alguns atualmente utilizados, como por exemplo o HFO-1234yf, HFO-1234ze, que são da família das hidrofluorolefinas, etc.

Fluidos de trabalho

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Características importantes dos fluidos:

� Curva de vapor saturado com inclinação zero ou positiva (ds/dT) – fluidos isentrópicos ou secos;

� Elevado calor latente de vaporização;� Baixo volume específico (na fase líquido-vapor);� Elevado calor específico;� Parâmetros críticos moderados (temperatura e pressão);� Pressões de operação (condensação e vaporização) entre 1 e 25 bar,

respectivamente;� Boas propriedades de transferência de calor (baixa viscosidade, elevada

condutividade térmica, etc.);� Boa estabilidade térmica e química (estável a altas temperaturas);� Boa compatibilidade com outros materiais (não corrosivo, etc.);� Boas características de segurança;� Baixo impacto ambiental (baixo ODP e baixo GWP);� Baixo custo e disponibilidade.

Fluidos de trabalho

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Fluidos de trabalho

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Superaquecimento:

Como comentado anteriormente, os fluidos orgânicos geralmente permanecem no estado de vapor superaquecido no final do processo de expansão. Assim, não há necessidade de superaquecimento nos ciclos ORC, ao contrário do ciclo de vapor (água). A ausência de condensação no final do processo também reduz o risco de corrosão das pás da turbina, estendendo seu tempo de vida até 30 anos, ao contrário das turbinas a vapor (15 a 20 anos).

Recuperação de calor a baixa temperatura:

Devido ao baixo ponto de ebulição dos fluidos orgânicos, calor pode ser recuperado em temperaturas muito baixas (fontes geotérmicas ou solares, por exemplo).

Tamanho dos componentes:

Como em qualquer ciclo a vapor, a massa específica do fluido é extremamente baixa na região de baixa pressão do ciclo, resultando em elevados volumes específicos e elevadas vazões volumétricas. Como a perda de pressão (carga) é proporcional ao quadrado da velocidade do fluido, essas elevadas vazões volumétricas necessitam um aumento do diâmetro da tubulação e do tamanho do trocador de calor. Da mesma forma, o tamanho da turbina deverá ser proporcional à vazão volumétrica.

Fluidos de trabalho

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Temperatura de entrada na turbina:

Nos ciclos a vapor de Rankine, devido à necessidade do superaquecimento, temperaturas maiores que 450 °C são requeridas na entrada da turbina para evitar a formação de gotículas de condensado durante a expansão. Essas temperaturas elevadas também provocam elevado stresstérmico na caldeira e nas pás das turbinas.

Consumo da bomba:

Pode ser avaliado através do back work ratio (bwr): em um ciclo de Rankine a vapor, a vazão de água é relativamente baixa e o bwr é tipicamente 0,4%. Para um ORC de elevada temperatura, utilizando tolueno, valores típicos ficam entre 2 a 3%. Para ciclos ORC a baixa temperatura, utilizando R-134a, por exemplo, podem ser esperados valores mais elevados, na ordem de 10%. Ou seja, menores temperaturas críticas, maiores bwr. ⇒ Tcr (tolueno) = 318,6 °C e Tcr (R134a) = 101,03 °C.

Pressões:

Em ciclos Rankine a vapor, as pressões giram entre 60 a 70 bar. Em ciclos ORC as pressões geralmente não ultrapassam 30 bar. Além disso, o fluido de trabalho não é vaporizado diretamente na fonte quente mas sim em um trocador de calor intermediário. Nesse caso, utiliza-se óleo térmico ou mesmo água, que geralmente está na pressão ambiente ou um pouco acima, evitando também a necessidade de um operador de caldeira.

Fluidos de trabalho

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Pressão de condensação:

Pressões mais elevadas que a atmosférica são importantes, pois evitam a infiltração de ar no ciclo. No caso da água, a pressão de condensação é menor que a atmosférica, necessitando desaeradores. A maioria dos fluidos utilizados em ORC atendem essa especificação, com exceção de alguns fluidos com elevada temperatura crítica (hexano ou tolueno) que são sub-atmosféricosna temperatura ambiente.

Fluidos de trabalho

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Conforme a figura abaixo, a inclinação da linha de vapor saturado é negativa para a água enquanto que essas curvas são mais verticais para fluidos orgânicos. Como consequência, a limitação do título do vapor no final da expansão desaparece para os ORC, não sendo necessário então o superaquecimento do vapor na entrada da turbina.

A diferença de entropia entre líquido e vapor saturado é muito menor para os fluidos orgânicos do que para a água. Isso representa uma entalpia de vaporização menor. Assim, para obter uma mesma potência térmica no evaporador, a taxa de massa do fluido orgânico deve ser muito maior que para a água, o que significa uma maior potência da bomba e, consequentemente, um maior consumo de energia.

Fluidos de trabalho

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Os fluidos de trabalho utilizados no ORC pode ser classificados como:

� Isentrópicos: quando a expansão entre duas pressões acontece sobre uma linha próxima a uma linha de entropia constante que, para esses fluidos é próxima a uma vertical;

� Úmidos: quando o estado final do fluido, no final da expansão, encontra-se na região de mistura líquido+vapor;

� Secos: quando o estado final do fluido, no final da expansão, encontra-se na região de vapor superaquecido.

Fluidos de trabalho

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Abaixo são apresentadas as propriedades de alguns fluidos utilizados nos ORC:

Fluido de trabalho

Tipo Tcr, K NBT, K Peso mol, kg/kmol

n-Pentano Seco 433,75 282,65 72,15

R-601a Seco 469,65 300,95 72,15

R-142b Isentrópico 410,35 263,85 100,49

Isobuteno Isentrópico 418,05 266,25 56,11

R-600a Isentrópico 407,85 261,41 58,12

R-141b Isentrópico 477,65 305,2 116,95

Butano Seco 425,15 272,63 58,12

R-123 Isentrópico 456,85 300,95 152,93

R-245ca Seco 447,57 298,28 134,05

R-245fa Seco (Isent.?) 427,21 288,29 134,05

SES 36 Seco 450,75 308,75 184,5

HFE-7000 Seco 438,15 307,15 200

R-134a Úmido 374,2 247,1 102

R-1234yf Isentrópico 367,9 243,7 114

Água Úmido 647,1 373,1 18,02

Fluidos de trabalho

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No entanto, em aplicações comercias, apenas uns poucos são utilizados:

� R-134a (HFC), usado em plantas de potência geotérmicas ou na recuperação de rejeitos térmicos em temperaturas muito baixas;

� R-245fa (HFC), fluido de trabalho para baixas temperaturas, utilizado principalmente em recuperação de rejeitos térmicos.

� N-pentano, fluido utilizado na única planta comercial de ORC com energia solar, em Nevada, EUA. Outras aplicações incluem recuperação de rejeitos térmicos e plantas geotérmicas de média temperatura;

� Solkatherm (SES36), mistura azeotrópica, muito utilizado em recuperação de rejeitos térmicos;

� OMTS (octamethyltrisiloxane), plantas utilizando biomassa.

� Tolueno, utilizado em plantas para recuperação de rejeitos térmicos a temperaturas mais elevadas.

Fluidos de trabalho

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Abaixo encontra-se uma classificação dos diferentes fluidos conforme a faixa de temperaturas de trabalho, conforme Quoilin et al. (2012):

Quoilin, S., Declaye, S., Legros, A., Guillaume, L., Lemort, V., 2012, Working fluid selection and operation maps for Organik RankineCycle expansion machines. International Compressor Engineering Conference at Purdue.

Expansores

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Parafuso Scroll de um estágio

Gerador de alta velocidade Expansor de Lysholm

Expansores

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Turbina a vapor convencional

Scroll de duplo estágio

Máquina de eng. com rotores Ener-G Motor a ar tipo pás

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Bibliografia:

� Long, R., Bao, Y.J., Huang, X.M., Liu, W., 2014. Exergy analysis and working fluid selectionof organic Rankine cycle for low grade waste heat recovery. Energy, 73: 475-483.

� Macchi, E., Astolfi, M. (ed.), 2017. Organic rankine cycle (ORC) power systems: Technologies and applications. Elsevier: Amsterdan.

� Wang, E.H., Zhang, H.G., Fan, B.Y., Ouyang, M.G., Zhao, Y., Um, Q.H., 2011. Study ofworking fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery. Energy, 36: 3406-3418.