Simulação off-design de um sistema ORC para recuperação de calor residual de um motor de combustão interna

• Autor(a) principal: OLIVEIRA NETO, Rieder de
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UNIFEI (RIUNIFEI)
• Texto Completo: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2316
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA; Ciclo Rankine orgânico; Off-design; Análise técnica; Análise econômica

Os gases de exaustão de um motor de combustão interna (MCI) deixam o equipamento ainda com energia suficiente para gerar mais potência elétrica, se utilizado um sistema próprio para esse fim. Logo, devido a esse cenário de possibilidade de aumentar a eficiência da planta energética e, assim, diminuir a emissão de poluentes e consumo de combustível, neste trabalho fez-se um estudo sobre o aproveitamento da energia residual existente nos gases de combustão de um motor de combustão interna estacionário a diesel. Para tal, foi utilizado o ORC (Organic Rankine Cycle), ciclo termodinâmico que utiliza um fluido orgânico como fluido de trabalho. As análises constituem-se em três partes: 1) análise paramétrica de um sistema ORC em regime permanente on-design (dentro das condições de projeto) para averiguar a influência da variação dos parâmetros termodinâmicos, tanto na potência produzida quanto na vazão de fluido de trabalho, com o objetivo de determinar o ponto ótimo de operação do ciclo, denominado “ponto de projeto”; 2) análise paramétrica do mesmo ciclo, agora em regime permanente off-design (fora das condições de projeto), para verificação das mesmas influências quando são variadas as característica da fonte de calor (vazão e temperatura), agora sem variar o projeto geométrico dos equipamentos constituintes do ciclo, o que aproxima o funcionamento do ciclo à realidade; 3) a análise econômica de viabilidade de implantação para tal planta ORC, a partir do modelo baseado no CEPCI (Chemical Engineering's Plant Cost Index). Das análises termodinâmicas quanto a eficiência do ciclo, o projeto do sistema foi determinado para uma vazão do fluido de trabalho de 0,09 kg/s, pressão de evaporação e condensação de 3.870 kPa e 25 kPa, respectivamente e com o gás de exaustão (fonte de calor) à 420 °C e 0,1697 kg/s. A partir desse ponto de operação, foram determinadas as geometrias dos componentes básicos do ORC: evaporador, turbina, condensador e bomba. Para as simulações off-design, realizadas com auxílio do software ASPEN HYSYS® V.11, foram variadas a pressão de evaporação, a vazão de fluido de trabalho e as condições de entrada da fonte de calor. De tais simulações em diferentes condições, foi constatada uma produção de potência líquida mínima, média e máxima, respectivamente, de 8,56 kW, 15,59 kW e 26,29 kW, enquanto na condição de projeto foi de 14,72 kW. A análise econômica expõe que o investimento inicial para a implantação do sistema é de R$ 93.502,22 e o retorno financeiro e a taxa de retorno de chegam a uma média de 1,5 anos e 90%, respectivamente, a depender dos valores de juros tomados para o investimento. O estudo revela o sistema não requer grandes investimentos de capital e pode trazer retorno do investimento em pouco tempo e com ganhos satisfatórios a partir de então.