Estudo da aplicação do ciclo de Kalina a sistemas de micro-geração utilizando fontes térmicas de baixa temperatura

Abstract

O presente trabalho estuda a possibilidade de se adaptar o ciclo termodinâmico de Kalina a sistemas de micro co-geração, utilizando fontes térmicas de baixa temperatura. Os ciclos estudados têm configurações tecnológicas iguais às do ciclo termodinâmico de Rankine, tendo sido considerado um ciclo com regenerador e outro sem regenerador. Foi também estudado o comportamento do ciclo de Rankine, nas mesmas condições, para fins comparativos com o ciclo de Kalina. Os fluidos usados nos ciclos foram água e R123 para os casos de Rankine, e uma mistura amónia-água para o caso de Kalina sendo que neste foram tidas em conta diferentes concentrações de amónia na mistura. Os ciclos referidos foram analisadas usando uma fonte quente à temperatura de 150 ºC e outra à temperatura 200 ºC, ambas modelam gases de escape de uma caldeira. Qualquer uma das aplicações rejeita calor para uma fonte fria modelada como água a 10 ºC. A metodologia de cálculo está dividida em dois passos principais: o primeiro analisa o comportamento do ciclo em termos de rendimento térmico e de potência produzida na turbina, o segundo estuda o modo como os diferentes ciclos aproveitam a energia das fontes quentes e da fonte fria. As principais conclusões mostram que os ciclos de Kalina podem produzir mais potência que os ciclos de Rankine, pelo facto de aproveitarem melhor as características da fonte quente, arrefecendo-a até temperaturas mais baixas. Mostra-se que o ciclo de Kalina é também o melhor no que respeita ao aquecimento da fonte fria e apresenta, na maioria dos casos, um rendimento térmico melhor. Faz ainda parte deste trabalho um estudo de primeira aproximação ao modo como se devem estudar as propriedades termodinâmicas de uma mistura, desde o modo como se manipulam as equações de estado, passando pelo cálculo de temperaturas de início e fim de mudança de fase (temperaturas de bolha e orvalho), até à definição de propriedades termodinâmicas como entalpia e entropia.

Abstract This work studies the possibility to adapt the Kalina thermodynamic cycle to a MCHP system by using a heat source at low temperature. The technological configuration of the cycles is equal to that of the Rankine thermodynamic cycle, one with regenerator and another without regenerator. The Rankine cycle was also studied in order to compare his behaviour with the Kalina cycle in the same conditions. The working fluids that were used were water and R123 for Rankine applications and an ammonia-water mixture for Kalina’s, in which different percentages of ammonia in the mixture were studied. The cycles were applied to two different heat sources, one at 150 ºC and another at 200 ºC, either one is representative of exhaust gases from a boiler. The sink, to where the cycles reject heat, was modelled as water at 10 ºC. The methodology of analysis was divided in two principal steps: the first concerns about the behaviour of the cycles in terms of thermal efficiency and power generated in the turbine and the second one analyses how the cycles manage to use the sources of heat and the sink. The main conclusions show that the Kalina cycle can generate more power due to the fact that it can cool down the temperature of the heat source more than the Rankine cycle. It’s also shown that the Kalina cycle performed better in what concern to warm up the sink as well as for the majority of the tests that took care about the thermal efficiency. In this work, a study on how a mixture of components should be studied, also took place. The way to adapt Equations of State, how to calculate bubble and dew temperatures and how to calculate thermodynamic properties like enthalpy or entropy is also shown.