O ciclo Rankine orgânico é apresentado como rota tecnológica com grande potencial de crescimento para recuperação de calor de baixa temperatura, em especial, para geração de eletricidade. A aplicação dessa rota tecnológica em escalas inferiores a 2 MWe e/ou a fontes térmicas de temperaturas inferiores a 200 °C confere ao ciclo Rankine orgânico vantagens sobre outras tecnologias de conversão de energia termelétrica. Para analisar o efeito que parâmetros de projeto e de operação, como o fluido de trabalho utilizado, temperaturas de condensação, de evaporação e de entrada no expansor, e presença de recuperador de calor, exercem na eficiência térmica do ciclo, um modelo analítico para cálculo da eficiência térmica de ciclos subcríticos foi desenvolvido e expandido a partir do modelo proposto por Wang et al. (2018a), que desenvolveram um modelo para ciclos saturados e superaquecidos, sem presença de recuperador de calor. O modelo proposto neste trabalho inclui os efeitos do recuperador de calor nos ciclos e das eficiências isoentrópicas da bomba e do expansor. Para validação do modelo proposto, foram consideradas temperaturas de condensação de 10 °C a 60 °C ou a 30% do valor da temperatura crítica do fluido, e temperaturas de evaporação até, no máximo, 99,5% da temperatura crítica do fluido. Foram comparados os valores de eficiência térmica obtidos pelo método analítico com os valores obtidos pela solução numérica convencional. Após a validação do modelo proposto, realizaram-se análises dos efeitos que os parâmetros de projeto e de operação mencionados exercem na eficiência térmica do ciclo, através de inspeção da ordem de grandeza das variáveis envolvidas no cálculo. Concluiu-se que o superaquecimento do fluido de trabalho não altera significativamente a eficiência térmica do ciclo quando o ciclo não possui recuperador de calor, porém pode promover aumento significativo na eficiência quando um recuperador de calor está presente; a presença de um recuperador de calor no ciclo, seja saturado, seja superaquecido, também pode promover aumento considerável na eficiência térmica do ciclo. A eficiência isoentrópica do expansor influencia mais a eficiência térmica do ciclo do que a eficiência isoentrópica da bomba, que, mesmo assim, não deve ser negligenciada. Por fim, esses resultados serviram de base para o projeto de uma bancada de testes para avaliação experimental de ciclos Rankine orgânico subcríticos, mas já preparada para operar ciclos em condições transcríticas e supercríticas.

Organic Rankine cycles are presented as a technology of high growth potential for the recovery of low-grade heat, especially for electricity generation. Its application to power scales lower than 2 MWe and/or lower than 200 °C heat sources offers organic Rankine cycle advantages over other thermoelectric conversion technologies. This master thesis addresses the development of an analytical model that calculates the cycle thermal efficiency for the analysis of the effect of design and operation parameters, such as working fluid, condensing and boiling temperatures, expander inlet temperature, and presence of a heat regenerator. The analytical model proposed by Wang et al. (2018a) and applied to subcritical saturated and superheated cycles with no heat regenerator was expanded for incorporating heat regenerator and pump and expander isentropic efficiencies. Condensing temperatures between 10 °C and 60 °C or 30% of fluid critical temperature, as well as maximum boiling temperature of 99.5% of fluid critical temperature were employed for the validation of the model applicability. The results were compared to traditional numerical calculation results, and the effects of the parameters on the cycle thermal efficiencies were analyzed through the checking of their magnitude. The superheated working fluid does not alter the cycle thermal efficiency significantly if the cycle involves no heat regenerator; however, it may increase it, otherwise, i.e., if the heat regenerator is involved. The expander isentropic efficiency affects more the cycle thermal efficiency than the pump isentropic efficiency, which should not be neglected. The results guided the design of a small-scale test bench for an experimental evaluation of subcritical, transcritical and supercritical organic Rankine cycles.