[pt] DESEMPENHO DE EXPANSOR AXIAL DE ESTÁGIO ÚNICO E ADMISSÃO PARCIAL APLICADO A CICLO RANKINE ORGÂNICO PARA RECUPERAÇÃO DE CALOR

[en] PERFORMANCE OF SINGLE STAGE PARTIAL ADMISSION AXIAL EXPANDER APPLIED TO A WASTE HEAT RECOVERY RANKINE ORGANIC CYCLE

[pt] GUILHERME LEIBSOHN MARTINS

[pt] CICLO RANKINE ORGANICO - ORC

[pt] OTIMIZACAO DE PROJETO

[pt] PERDA NO PERFIL

[pt] FATOR DE DIFUSAO

[pt] EXPANSOR AXIAL

[pt] GASES DENSOS

[pt] O presente trabalho aborda a análise da aplicação do expansor axial de estágio único e admissão parcial em ciclo Rankine orgânico para recuperação do calor rejeitado por um motor de combustão interna. O fluido adotado é o R245fa, cujos efeitos de gás real são relevantes nas condições estudadas, sendo representados pela equação Redlich-Kwong-Soave. Um modelo de perdas para o escoamento através das palhetas é proposto, tendo como base a teoria da camada limite, o conceito do fator de difusão, experimentos de grades em túnel de vento obtidos na literatura e as equações de conservação para escoamento compressível. O fator de difusão é o parâmetro responsável por quantificar o gradiente de pressão adverso na superfície do perfil das palhetas. A geometria e dimensões básicas para a máxima eficiência do expansor são determinadas para diversas condições subcríticas e supercríticas do ciclo a partir de um algoritmo de otimização com restrições. O valor ótimo da temperatura do evaporador em condições subcríticas é estabelecido de modo a obter a potência máxima do ciclo de recuperação, conforme as alternativas construtivas consideradas. O projeto do expansor de estágio único mostra ser grandemente influenciado pela compressibilidade do meio e a utilização de bocais com perfil convergente-divergente é promissora para alcançar o maior potencial de desempenho, principalmente nas condições de alta pressão do evaporador.

[en] The present work deals with the analysis of the application of a single stage partial admission axial expander in organic Rankine cycle, in order to recover the heat rejected by an internal combustion engine. The selected fluid is R245fa, whose real gas behavior is relevant under the studied conditions, as modeled by the Redlich-Kwong-Soave equation of state. A loss model for the flow through the axial blades is proposed in this work, based on the boundary layer theory, the concept of diffusion factor, wind tunnel cascade tests available in literature and the conservation equations for compressible flow. The diffusion factor is the parameter responsible to quantify the adverse pressure gradient on the blade profile surfaces. The basic geometry and dimensions needed to achieve maximum expander efficiency are determined under several subcritical and supercritical cycle conditions by means of a restrained design optimization algorithm. The optimum value for the evaporator temperature under subcritical cycle is stablished so as to obtain the maximum power from the recovery cycle, according the constructive alternatives considered. The single stage expander design is shown to be greatly influenced by media compressibility and the use of convergent-divergent profiled nozzles is promising to achieve the highest performance potential, especially at high evaporator pressure conditions.

SERGIO LEAL BRAGA

SANDRO BARROS FERREIRA

JOSE ALBERTO DOS REIS PARISE

SERGIO LEAL BRAGA

CARLOS VALOIS MACIEL BRAGA

SANDRO BARROS FERREIRA

MARCELO JOSE COLAÇO

MARCO AURELIO DA CUNHA ALVES

WASHINGTON ORLANDO IRRAZABAL BOHORQUEZ

2016-06-27

2015-05-29

[pt] TEXTO

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PORTUGUÊS

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.26689