Metodologia para dimensionamento de um expansor scroll para ciclo rankine

Abstract

Com o objetivo de assegurar o fornecimento de energia, reduzir mudanças climáticas e otimizar a utilização das fontes de energia disponíveis por meio da geração de energia limpa, tecnologias de recuperação de calor e o uso de fontes renováveis têm sido incentivadas e desenvolvidas. Neste cenário, surgem novas tecnologias promissoras como o Armazenamento de Energia com Ar Comprimido, do inglês Compressed Air Energy Storage (CAES), visando amenizar o problema de intermitência na geração de energia com fonte solar e eólica; e o Ciclo Orgânico Rankine, do inglês Organic Rankine Cycle (ORC), visando o aproveitamento do calor rejeitado a baixa temperatura para a geração de potência. Diversos estudos apontam para o potencial uso da máquina de expansão do tipo scroll em ciclos de geração de potência de pequena escala, por apresentarem alta eficiência isentrópica. Sendo assim, uma metodologia para dimensionamento de expansores scroll operando em um ORC é proposta, levando em consideração fatores construtivos e operacionais. Uma análise de um novo protótipo é realizada seguindo a metodologia, considerando como fluido de trabalho o R245fa, razão volumétrica de 3,5 e potência de 1,5 kW. No entanto, a aplicação da metodologia para o dimensionamento de expansores pode ser aplicada para outros fluidos. O presente trabalho está inserido em uma linha de pesquisa em andamento na FEI, que teve início com testes experimentais de um protótipo de expansor scroll trabalhando com ar comprimido. Desta forma, a experiência do grupo de pesquisa é utilizada na avaliação e discussão de fatores importantes como o balanceamento do dispositivo, a vedação como fator importante para a aplicação em ORC e a relação direta entre as dimensões do dispositivo, sua razão volumétrica e sua eficiência isentrópica

In order to ensure energy supply, reduce climate change and optimize the use of available energy sources through the generation of clean energy, heat recovery technologies and the use of renewable sources have been encouraged and developed. In this scenario, promising new technologies emerge such as Compressed Air Energy Storage (CAES), aiming to alleviate the problem of intermittence in the generation of energy with solar and wind and Organic Rankine Cycle (ORC), aiming the transformation of the rejected heat at low temperature into work. Several studies point to the potential use of the scroll-type expansion machine in small-scale power generation cycles, because of its high isentropic efficiency. Thus, a methodology for sizing of scroll expanders operating in an ORC is proposed, taking into account constructive and operational factors. An analysis of a new prototype is performed following the methodology, considering R245fa as the working fluid, volumetric ratio of 3.5 and power of 1.5 kW. However, the application of the methodology for the sizing of expanders can be applied to other fluids. The present work is part of an ongoing research line at FEI, which began with experimental tests of a prototype of scroll expander working with compressed air. In this way, the experience of the research group is used in the evaluation and discussion of important factors such as the set, the sealing as an important factor for the application in ORC and the direct relationship between the dimensions of the device, its volumetric ratio and its isometric efficiency