AVALIAÇÃO DA DEGRADAÇÃO TÉRMICA EM SISTEMAS REAIS BASEADOS EM CICLOS ORGÂNICOS DE RANKINE DE VAPORIZAÇÃO DIRETA

Abstract

Nestes últimos anos a emissão de gases com efeito de estufa estabelecem recordes de ano para ano, encaminhando-se para uma situação onde as consequências destas emissões (alterações climáticas) se tornam irreversíveis. Isto deve-se ao facto de, atualmente, as principais formas de produção de energia primária basearem-se em combustíveis fósseis.Com a necessidade de implementar estratégias com baixo impacto ambiental ou altamente eficientes, surge uma das tecnologias mais promissoras que tem como base a produção combinada de calor e eletricidade (CHP). Dentro destas energias capazes de realizar cogeração de energia, os ciclos orgânicos de Rankine (ORC) são a opção mais viável e promissora para uma escala a nível residencial (onde a produção de energia primária é à base do gás natural).Assim sendo, a presente dissertação visa o estudo da implementação de um evaporador especialmente projetado para integrar a vaporização direta no sistema ORC (por ser a opção que permitirá maiores eficiências ao ciclo). Como a principal contrapartida destas configurações é a degradação térmica, que está associada à exposição do fluido às elevadas temperaturas dos gases de combustão, surge uma das principais motivações desta dissertação: compreender e detalhar quais os efeitos reais que a degradação térmica irá provocar ao fluido e assim estimar um tempo de utilização para estes sistemas. No final, é feita uma análise paramétrica de forma a verificar o efeito que a variação de certos parâmetros pode causar nos valores de temperatura dentro da camada limite térmica.Relativamente ao principal objetivo, caracterizou-se a evolução das temperaturas no interior dos tubos ao longo do evaporador. Após a sua obtenção, calculou-se a zona onde existe possibilidade de ocorrer degradação. Através desta avaliou-se a sua influência no funcionamento global do sistema de forma a, para além de garantir as condições de segurança, promover um funcionamento estável e eficiente. Tendo isto em mente, estimou-se um valor para o número total de horas que a instalação poderá vir a funcionar sem problemas de degradação. Em relação à análise paramétrica, esta toma um papel fundamental na tomada de decisões na fase de projeto de um permutador de calor. Através da qual conseguiu-se perceber a influência da variação de dois parâmetros construtivos para os tubos do EHE (material de construção e diâmetro interno do tubo).Com este estudo, conclui-se que só uma percentagem de fluido se encontra acima do limiar da temperatura de degradação e, acrescentado o facto da probabilidade de o fluido passar novamente nesse limiar, estima-se que dificilmente a degradação que ocorre durante o seu funcionamento seja capaz de levantar problemas significativos.

On these last years the emission of greenhouse gases have been breaking records year after year heading towards a situation where the consequences of it may become irreversible. This is due to the fact of fossil fuels still being the main source of primary energy.With the growing necessity of implementing low environmental impact or highly efficient strategies aroused one of the most promising technologies that is based on the combined heat and power generation (CHP) premise. For the implementation of this technique the Organic Rankine cycles (ORC) present themselves as the most viable and promising option for the residential application (in which the principal source of primary energy is the natural gas)Therefore, the present master’s dissertation aims the study of the implementation of a specially developed evaporator in order to integrate the direct vaporization on the ORC system (for being the option that promote higher efficiencies in the cycle). However, this configuration has a major drawback, thermal degradation of the fluid, that is associated with the exposure of the fluid to the very high temperature combustion gases and with this emerges one of the main motivations of this work: comprehend and specify the real effects that thermal degradation as on the fluid and asses the usage time for these systems. Finally, a parametric analysis is done in order to verify the influence of certain parameters on the temperature values within the thermal boundary layer.Relative to the main objective, the evolution of temperature inside the tubes of the evaporator was characterized. After this, the region in which thermal degradation may occur was obtained. Through this, the influence on the global system was evaluated in order to ensure the safety conditions and a stable and efficient operation. With this in mind, an estimate of the total hours of operation without problems caused by thermal degradation was determined. Regarding the parametric analysis, it has a fundamental role on the decision-making process of the project of the heat exchanger. With it the influence of two constructive parameters for the EHE tubes was analyzed (constructive material and internal diameter of the tube).Ultimately, with this study was possible to verify that only a small percentage of the fluid is found to be above the threshold of the thermal degradation temperature and adding the fact of the probability of the fluid passing again through this threshold, concluding that the thermal degradation phenomena occurring during operation will hardly bring meaningful problems.