Caracterização da degradação química de fluidos de trabalho em ciclos orgânicos de Rankine

Abstract

Neste trabalho de investigação foi analisada a degradação térmica de um fluido de trabalho utilizado num sistema de micro-cogeração baseado no ciclo orgânico de Rankine (ORC). Para além disso, o evaporador deste sistema representa um protótipo laboratorial e utiliza o refrigerante R245fa como fluido de trabalho. Para além disso, o evaporador realiza uma vaporização direta do fluido de trabalho expondo este aos gases quentes de combustão (≈ 1000 °C), promovendo o fenómeno de degradação térmica.Basicamente, a degradação térmica, também denominada por pirólise, representa uma reação de decomposição química que ocorre devido à temperatura. Esta representa uma quebra molecular no fluido de trabalho, formando substâncias mais leves mas com volume específico superior o que, consequentemente, resultará num aumento de pressão (com temperatura constante). Caso a degradação seja muito agressiva, resultante de temperaturas de operação extremamente elevadas, poderão formar-se compostos mais pesados, com volume específico menor, resultando numa diminuição de pressão. Este último caso apenas se verifica em funcionamento e geralmente reflete-se em formação partículas sólidas/depósitos. Apesar disso, no balanço final da pressão com o fluido de trabalho a frio, geralmente verifica-se sempre um aumento de pressão em relação ao fluido virgem.A metodologia experimental utilizada baseou-se na comparação das curvas de pressão do fluido de trabalho antes e após o seu funcionamento à temperatura máxima do sistema. Uma vez que não é esperado que o sistema laboratorial trabalhe com temperaturas superiores a 150 °C, o fluido de trabalho foi testado à temperatura de 160 °C durante cerca de 80 horas cumulativas de funcionamento.A análise final das curvas de pressão-temperatura mostrou que, nas condições críticas de funcionamento do sistema laboratorial utilizado, o fluido de trabalho R245fa não exibiu qualquer evidência de degradação térmica.

In this work the thermal degradation of a working fluid used in a micro-cogeneration system based on the Organic Rankine cycle (ORC) was analyzed. In addition, the evaporator of this system represents a laboratory prototype and uses R245fa as the working fluid. In addition, the evaporator directly vaporizes the working fluid exposing it to the hot combustion gases (≈ 1000 ºC), promoting the phenomenon of thermal degradation.Basically, thermal degradation, also referred to as pyrolysis, represents a chemical decomposition reaction that occurs due to temperature. This represents a molecular break in the working fluid, forming lighter substances but with a higher specific volume which, consequently, will result in an increase of pressure (with constant temperature). If the degradation is very aggressive, resulting from extremely high operating temperatures, heavier compounds may be formed, with a lower specific volume, resulting in a decrease in pressure. The latter case only occurs in operation and is generally reflected in formation of solid particles / deposits. Nevertheless, in the final pressure balance with working fluid at ambient temperature, there is always an increase in pressure with respect to the virgin fluid.The experimental methodology used was based on the comparison of the working fluid pressure curves before and after its operation at the maximum system temperature. Since the laboratory system is not expected to work at temperatures above 150 ºC, the working fluid was tested at 160 ºC for about 80 cumulative operating hours.The final analysis of the pressure-temperature curves showed that, under the critical operating conditions of the laboratory system used, R245fa working fluid did not exhibit any evidence of thermal degradation.