Thermodynamic Stratification of Dual-Working-Fluid ORC-Driven Vapor Compression Refrigeration Systems Based on Critical Property Compatibility

Resumo Técnico: Estratificação Termodinâmica de Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor Acionados por ORC de Fluido de Trabalho Duplo Baseados na Compatibilidade de Propriedades Críticas

Definição do Problema
A integração do Ciclo de Rankine Orgânico (ORC) com o Ciclo de Compressão de Vapor (VCC) oferece uma solução promissora para a recuperação de calor residual (WHR) de baixa temperatura para gerar resfriamento. No entanto, selecionar o par de fluidos de trabalho duplo ideal para esses sistemas continua sendo um desafio significativo. A literatura existente frequentemente baseia-se em uma triagem de "força bruta" de candidatos a fluidos discretos ou foca em sistemas de fluido único, carecendo de uma metodologia generalizada para prever o desempenho do sistema com base na compatibilidade termodinâmica entre os dois fluidos. Além disso, a influência específica da diferença de temperatura crítica ($\Delta T_{crit}$) entre os fluidos de trabalho do ORC e do VCC sobre a eficiência global do sistema e a irreversibilidade é pouco explorada.

Metodologia
Este estudo apresenta uma nova estrutura de perfil de estratificação termodinâmica para avaliar 100 combinações distintas de pares de fluidos de trabalho ORC–VCC extraídos de diversas famílias moleculares (Hidrocarbonetos, Halocarbonetos e Siloxanos). A metodologia envolve:

1. Configuração do Sistema: Um sistema de fluido duplo, onde o ORC (Fluido A) utiliza calor residual de baixa temperatura para acionar uma turbina, que está diretamente acoplada ao compressor do VCC (Fluido B). Os subsistemas operam com condensadores independentes.
2. Modelagem Termodinâmica: Um modelo computacional foi desenvolvido usando Python e validado contra dados experimentais de Saleh et al. [19]. O modelo emprega avaliações tanto da Primeira Lei (balanço de energia, COP) quanto da Segunda Lei (análise de exergia, eficiência de exergia, irreversibilidade).
3. Abordagem de Estratificação: Em vez de analisar os fluidos individualmente, o estudo classifica os pares de fluidos em quatro perfis distintos baseados em sua diferença de temperatura crítica ($\Delta T_{crit} = T_{crit,ORC} - T_{crit,VCC}$):
   • Baixo: 0–60 °C
   • Médio: 60–120 °C
   • Alto: 120–180 °C
   • Ultra-Alto: >180 °C
4. Análise de Sensibilidade Paramétrica: O desempenho desses perfis estratificados foi avaliado sob várias condições operacionais: Temperatura da caldeira ($T_b$: 60–100 °C), Temperatura do condensador ($T_c$: 25–50 °C) e Temperatura do evaporador ($T_{eva}$: -15 a 15 °C).

Principais Contribuições
O artigo introduz um critério qualitativo para a seleção de fluidos baseado na compatibilidade de propriedades críticas, em vez de propriedades isoladas do fluido. Suas principais contribuições incluem:

• Perfil de Estratificação Termodinâmica: Estabelecer o $\Delta T_{crit}$ como uma métrica de triagem prática que agrupa pares de fluidos em faixas de desempenho, revelando que o comportamento do sistema não é aleatório, mas segue tendências termodinâmicas específicas baseadas na compatibilidade de temperatura crítica.
• Análise Abrangente de Sensibilidade: Fornecer uma análise detalhada de como os parâmetros operacionais ($T_b, T_c, T_{eva}$) interagem com as propriedades dos fluidos através de uma ampla gama de 100 combinações de fluidos.
• Diretrizes de Projeto: Oferecer recomendações de projeto específicas para sistemas integrados de WHR, equilibrando a eficiência termodinâmica com restrições operacionais práticas, como taxas de vazão mássica.

Principais Resultados

• Impacto dos Parâmetros Operacionais:
  • Temperatura do Condensador ($T_c$): Identificada como o fator negativo dominante. O aumento de $T_c$ de 25 °C para 50 °C reduziu o COP do sistema em aproximadamente 67% e a eficiência de exergia em 70%, enquanto aumentou significativamente a taxa de vazão mássica do ORC ($\dot{m}_{ORC}$).
  • Temperatura da Caldeira ($T_b$): O aumento de $T_b$ de 60 °C para 100 °C melhorou o COP do sistema em 115% e a eficiência de exergia em 23%, reduzindo a $\dot{m}_{ORC}$.
  • Temperatura do Evaporador ($T_{eva}$): O aumento de $T_{eva}$ melhorou o COP (em ~210%), mas reduziu a eficiência de exergia (em ~33%), indicando um compromisso entre a capacidade de resfriamento e a qualidade da energia.
• Desempenho da Estratificação:
  • Perfis de Baixo $\Delta T_{crit}$ (0–60 °C): Alcançaram consistentemente o maior desempenho termodinâmico, produzindo um COP médio 6–7% maior e uma eficiência de exergia 5–6% maior em comparação com os perfis Ultra-Altos. Isso é atribuído a uma melhor compatibilidade termodinâmica e menor irreversibilidade.
  • Perfis de Ultra-Alto $\Delta T_{crit}$ (>180 °C): Exibiram as métricas de desempenho mais baixas.
  • O Compromisso da Taxa de Fluxo: O desempenho superior dos perfis de Baixo $\Delta T_{crit}$ ocorreu às custas de exigir taxas de vazão mássica de fluido de trabalho 25–30% maiores em comparação aos perfis de Alto $\Delta T_{crit}$.
• Especificidades do Par de Fluidos: Pares Hidrocarboneto-Hidrocarboneto (ex: Benzeno-Tolueno) demonstraram consistentemente desempenho superior devido a características termofísicas favoráveis. Por outro lado, pares Siloxano-Halocarboneto (ex: MD2M-R1234yf) geralmente mostraram menor eficiência e maiores requisitos de vazão mássica.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este estudo estabelece o $\Delta T_{crit}$ como uma métrica primária viável para a triagem de pares de fluidos em sistemas de VCC-ORC de fluido duplo, indo além da otimização discreta para um entendimento estratificado da compatibilidade de fluidos. Os achados sugerem que, embora os perfis de Baixo $\Delta T_{crit}$ maximizem a eficiência energética e exergética, eles impõem maiores requisitos de bombeamento e dimensionamento. Portanto, o artigo conclui que o projeto de sistema ideal requer uma análise de compromisso: perfis de Baixo $\Delta T_{crit}$ são preferíveis quando a prioridade é maximizar o COP e a eficiência, enquanto perfis de Alto $\Delta T_{crit}$ podem oferecer um melhor equilíbrio ao considerar taxas de circulação e complexidade do equipamento. O estudo fornece uma estrutura fundamental para o projeto de sistemas integrados de recuperação de calor residual que consideram tanto o desempenho termodinâmico quanto as restrições operacionais práticas.