Orientador: José Vicente Hallak D'Angelo

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Os sistemas de trigeração são conhecidos por produzirem potência, utilidades quente e fria a partir de uma mesma fonte de energia. Um sistema convencional de trigeração é constituído por um ciclo de Brayton, seguido por um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG) e um sistema de...

Resumo: Os sistemas de trigeração são conhecidos por produzirem potência, utilidades quente e fria a partir de uma mesma fonte de energia. Um sistema convencional de trigeração é constituído por um ciclo de Brayton, seguido por um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG) e um sistema de refrigeração por absorção (SRA). Essa integração térmica aumenta a eficiência global do sistema e permite diminuir tanto o consumo global de combustíveis quanto a emissão de gases de efeito estufa. Os sistemas de trigeração podem ser aplicados em quaisquer empreendimentos no qual exista a demanda simultânea de potência, aquecimento e resfriamento. O presente trabalho teve como objetivo realizar uma análise paramétrica do desempenho termodinâmico de um sistema de trigeração com quatro configurações aplicado a um hospital de médio porte com as demandas de energia baseadas no Hospital das Clínicas da Unicamp. Esses sistemas diferenciam-se entre si pela localização de um segundo ciclo de potência (ciclo de Rankine orgânico, ORC) e pela estação do ano (primavera/verão e outono/inverno). Os fluidos orgânicos selecionados foram pentano, para quando o ORC era posicionado depois do SRA; e R141b, quando era posicionado antes. O equipamento principal escolhido para o sistema de trigeração foram microturbinas devido a possibilidade de uma ser desativada durante o outono/inverno e o par refrigerante/absorvente escolhido do SRA foi amônia/água. Os sistemas foram simulados no software Aspen Hysys v.10 tendo como base de cálculo 7 microturbinas capazes de gerar 200 kW cada nas condições ISO 3977-2 (e 196,4 kW a 25 ºC) e a refrigeração de fluido secundário a 6 ºC com carga térmica fixa de 200 kW na primavera/verão e 150 kW no outono/inverno. A análise paramétrica no SRA definiu os parâmetros de operação estudados desse ciclo e o COP obtido foi de 0,655. A adição de um segundo ciclo de potência permitiu a produção de potência utilizando o fluido pentano em 189,2 kW (primavera/verão) e 192,9 kW (outono/inverno); e utilizando o fluido R141b em 269,20 kW (primavera/verão) e 237,1 kW (outono/inverno). A vazão mássica desse último fluido foi cerca de 60\% maior. A análise energética apresentou um fator de utilização de energia 0,473 enquanto que a eficiência exergética nessas condições foi 0,382. A análise exergética também mostrou que a posição do ORC no ciclo interfere consideravelmente na destruição de exergia. Foi realizada também uma análise econômica preliminar dos sistemas que resultou num tempo de retorno de capital de 2,2 anos, tornando o sistema bastante atrativo para análises mais aprofundadas dos sistemas propostos

Abstract: A trigeneration system is well known by producing combined cooling, heating and power (CCHP) using a unique energy source. Conventional trigeneration systems consist of a Brayton cycle, followed by a heat recovery steam generator (HRSG) and finally an absorption chiller. This thermal...

Abstract: A trigeneration system is well known by producing combined cooling, heating and power (CCHP) using a unique energy source. Conventional trigeneration systems consist of a Brayton cycle, followed by a heat recovery steam generator (HRSG) and finally an absorption chiller. This thermal integration is one of the ways to decrease global primary energy consumption and greenhouse gas emission. Trigeneration systems can be applied in any enterprise where there is a simultaneous demand for power, heating and cooling. The present work aimed to perform a parametric analysis of the thermodynamic performance of a trigeneration system with four configurations applied to a medium-sized hospital based on the Unicamp Hospital das Clínicas energy demands. These systems differ from each other by the inclusion of a second power cycle (ORC) and the season (spring/summer and autumn/winter). ORC is used due to its capability of processing waste heat from prime movers more efficiently, consequently increasing the plant power generation. The working fluids select were pentane and R141b to ORC placed before and after SRA, respectively. Microturbines were select as the prime movers for the trigeneration system due to the possibility to be deactivated during autumn/winter. The SRA refrigerant/absorbent fluids chosen was ammonia/water. The systems were simulated in Aspen Hysys v.10 based on 7 microturbines capable of generating 200 kW/each at ISO conditions 3977-2 (and 196.4 kW at 25 ºC) and secondary fluid at 6 ºC with a fixed refrigeration capacity of 200 kW in spring/summer and 150 kW in autumn/winter. The parametric analysis in SRA defined the operating parameters of this cycle and the COP obtained was 0.655. The addition of a second power cycle using pentane allowed for power output of 189.2 kW (spring/summer) and 192.9 kW (autumn/winter); and using R141b, 269.20 kW (spring/summer) and 237.1 kW (autumn / winter). Comparing both mass flow, this last fluids about 60\% higher. The energy analysis showed an energy utilization factor of 0.473 while the exergetic efficiency in these conditions was 0.382. The exergetic analysis also showed that the ORC position interferes considerably in the destruction of exergy. Later, a preliminary economic analysis of the system was presented resulted in a capital return time of 2.2 years. Further investigation of the proposed systems are very attractive

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