Otimização de um ciclo Brayton irreversível com regeneração, inter-resfriamento e reaquecimento através de uma função objetivo termoeconômica

Abstract

Desenvolver e projetar plantas de potência otimizadas é uma constante e antiga busca da engenharia de energia. Para tal, os modelos de ciclos foram constantemente aprimorados ao longo do tempo. Através de estudos que procuram incorporar funções que descrevam a realidade mais precisamente, o equacionamento de irreversibilidades presentes nos processos e dispositivos reais de interações de trabalho e calor é vasto na literatura. Uma modelagem matemática foi desenvolvida para um ciclo Brayton irreversível com inter-resfriamento, regeneração e reaquecimento. As irreversibilidades consideradas são provenientes das resistências térmicas nos trocadores de calor do ciclo, do comportamento não isentrópicos dos elementos de expansão e compressão, da perda de calor para o reservatório frio e das perdas de carga nas tubulações ao longo do escoamento do fluido de trabalho. O método de otimização escolhido foi uma função termoeconômica a qual relaciona potência líquida com diversos tipos de custos de uma planta de potência, tais como custos de investimentos, de combustíveis, ambientais e de operação e manutenção. A modelagem matemática consistiu em determinar todas as temperaturas e parâmetros de interesse do ciclo através do conhecimento de apenas uma temperatura, denominada temperatura de controle. A partir de variações nesta temperatura foi possível estabelecer o comportamento dos demais parâmetros do ciclo e relacioná-los com irreversibilidades e parâmetros construtivos. O presente trabalho apresentou um modelo de ciclo Brayton não encontrado na literatura, acopladas diversas fontes de irreversibilidades sob a ótica de uma função de custos de quatro termos. Os resultados obtidos demonstram que a faixa ótima para operação em máxima potência difere da faixa ótima para operação sob máxima eficiência, sendo que a operação termoeconômica maximizada se aproxima mais da última do que da primeira. Foi observado também que as perdas de carga e as resistências dos trocadores de calor são irreversibilidades significativas no ciclo de potência.

Developing and designing optimized power plants is a constant and ancient search for energy engineering. For this, cycles models have been constantly improved over time. Through studies that seek to incorporate functions that describe the reality more precisely, the equating of irreversibility present in real processes and devices of work and heat transfer interactions is vast in the literature. A mathematical modeling has been developed for an irreversible Brayton cycle with inter-cooling, regeneration and reheating. The irreversibility considered are due to thermal resistances in the heat exchangers of the cycle, to the non-isentropic behavior of the elements for expansion and compression, to the heat loss to the could reservoir and to the head loss on the pipes along the working fluid flow. The optimization method chosen was a thermoeconomic function that relates the net power to various types of costs of a power plant, such as investment costs, fuel costs, environmental costs and operation and maintenance costs. The mathematical modeling consisted on determining all the cycle temperatures and parameters of interest through the knowledge of only one temperature, called control temperature. From variations in this temperature, it was possible to establish the behavior of the other parameters of the cycle and relate them to irreversibility and constructive parameters. The present work presented a model of Brayton cycle not found in the literature, coupled several sources of irreversibility under the optics of a four terms cost function. The results obtained demonstrate that the optimal operational range under maximum power differs from the optimal operational range under maximum efficiency, and the maximized thermoeconomic operation is closer to the latter than the first. It has also been observed that the head losses and the resistances in the heat exchangers are significant irreversibility in the power cycle.