Análise termoeconômica de um ciclo Rankine binário de cogeração

Abstract

RESUMO: Os Ciclos Rankine Orgânico (ORC, do inglês Organic Rankine Cycle) são caracterizados pela baixa eficiência e baixa produção de trabalho devido à baixa faixa de operação de pressão e temperatura. Por isso, são geralmente apresentados usando um dissipador de calor de outro processo como sua adição de calor; assim, são vistos como uma alternativa promissora para aproveitar a rejeição de calor do ciclo Rankine convencional. Essa configuração pode ser classificada como Ciclo Binário. Este trabalho se propõe a realizar uma análise termoeconômica em um Ciclo Binário de uma usina de cogeração de energia, com o intuito de verificar os custos exergéticos dos produtos finais do sistema (potência elétrica e calor útil de processo). No Ciclo Binário a ser utilizado, a fonte de calor do Ciclo Rankine Convencional será proveniente da biomassa do bagaço de cana-de-açúcar, enquanto o ORC receberá o calor rejeitado por esse Ciclo Rankine Convencional. Já o fluido de trabalho será selecionado considerando principalmente o Potencial de Aquecimento Global (GWP, do inglês Global Warming Potential) e o Potencial de Depreciação da Camada de Ozônio (ODP, do inglês Ozone Depletion Potential). Os conceitos que fundamentam a análise proposta são os da abordagem termodinâmica, realizando uma análise de primeira e segunda lei. A partir disso, a análise termoeconômica foi realizada considerando o método de alocação de custos, determinando o diagrama produtivo e utilizando os diferentes modelos E, E&S e H&S. Os resultados obtidos foram analisados considerando a abordagem termodinâmica estudada, permitindo o cálculo de indicadores de desempenho da planta. Entre os modelos aplicados, o Modelo E&S apresentou inconsistências em relação à 2a Lei da Termodinâmica. Os Modelos E e H&S foram os que apresentaram resultados mais satisfatórios para a avaliação termoeconômica, sendo o Modelo E limitado apenas para a avaliação de equipamentos puramente dissipativos. O fluido R1234yf apresentou resultados favoráveis para a troca do fluido R134a. Com relação ao diagrama produtivo, os custos apresentaram resultados diferentes em função da forma que foram definidos.

ABSTRACT: Organic Rankine Cycles (ORC) are characterized by low efficiency and low work output due to the low pressure and temperature operating range. Therefore, they are usually presented using a heatsink from another process as their heat addition; thus, they are seen as a promising alternative to take advantage of the heat rejection of the conventional Rankine cycle. This configuration can be classified as Binary Cycle. This work proposes to carry out a thermoeconomic analysis in a Binary Cycle of an energy cogeneration plant, in order to verify the exergy costs of the final products of the system (electric power and useful process heat). In the Binary Cycle to be used, the heat source of the Conventional Rankine Cycle will come from the sugarcane bagasse biomass, while the ORC will receive the heat rejected by this Conventional Rankine Cycle. The working fluid will be selected considering mainly the Global Warming Potential (GWP) and the Ozone Depletion Potential (ODP). The concepts that underlie the proposed analysis are those of the thermodynamic approach, performing a first and second law analysis. From this, the thermoeconomic analysis was carried out considering the cost allocation method, determining the productive diagram and using the different E, E&S and H&S models. The obtained results were analyzed considering the studied thermodynamic approach, allowing the calculation of plant performance indicators. Among the applied models, the E&S Model presented inconsistencies in relation to the 2nd Law of Thermodynamics. Models E and H&S were the ones that presented the most satisfactory results for the thermoeconomic evaluation, with Model E limited only to the evaluation of purely dissipative equipment. The R1234yf fluid showed favorable results for the replacement of the R134a fluid. Regarding the production diagram, the costs presented different results depending on the way they were defined.