[pt] Esta simulação considera um ciclo Rankine que utiliza um fluido de trabalho orgânico, com a particularidade que a fonte de energia de entrada ao sistema será solar. Esta energia renovável que provem do potencial do Sol é aproveitada com a utilização de coletores concentradores lineares parabólicos. Estes dois circuitos: do ciclo Rankine orgânico e do conjunto de coletores interatuam termicamente mediante um trocador de calor chamado de gerador de vapor. Adicionalmente, existe um sistema de armazenamento térmico que permite acumular parte da energia solar coletada para ser utilizada em períodos sem radiação solar ou com níveis baixos da mesma. A primeira parte deste trabalho mostra os aspectos teóricos introdutórios e as considerações para trabalhar com um ciclo Rankine de tipo orgânico, o tipo de coletores escolhido e a utilização de armazenamento térmico. O segundo capítulo mostra o modelo matemático apropriado para simular um sistema de geração de potência de baixa capacidade (50 kW) e os componentes de cada circuito: ciclo (bomba, expansor, condensador, recuperador, gerador de vapor), coletores (cobertura, refletor, absorvedor, etc.) e armazenamento (tanques, etc.). A simulação foi desenvolvida no software EES. O terceiro analisa os parâmetros do modelo, seus possíveis valores físicos, a sensibilidade da sua variação e sua seleção adequada com o objetivo de efetuar uma simulação bastante similar à realidade e as incertezas presentes. No capítulo final se apresentam os resultados em base as condições de desenho consideradas. / [en] This simulation considers a Rankine cycle that works with an organic fluid, but has the particularity of using solar power as the font of input energy. This renewable energy that comes from the sun’s potential is taken with the use of parabolic trough collectors. These two circuits: that of the organic Rankine cycle (ORC) and the other of collector’s ensemble interact termically in a heat exchanger called as vapor generator. Adicionally there’s a thermal storage system that allows accumulating part of the collected solar energy to be used for periods of time when there’s no solar radiation or with very low levels of it. The first part of this work shows the introductory theoretical aspects and the considerations to work with an organic Rankine cycle (ORC), the type of chosen collector and the use of heat storage. The second chapter shows the appropriate mathematic model to simulate a system of power generation of low capacity (50 kW) and the components of each circuit: ORC (pump, expander, condenser, recuperator, vapor generator), collectors (glass cover, reflector mirror, absorber tube, etc.) and thermal storage (storage tanks, etc.). The simulation was developed using EES software. The third chapter analyzes the parameters of the model, specially its values and possible variations to approach the simulation to the reality. In the final chapter, some results are presented based on some considered design conditions.

[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.