Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Teses
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Tipo: Tese
Título: Simulação off-design de um sistema ORC para recuperação de calor residual de um motor de combustão interna
Autor(es): OLIVEIRA NETO, Rieder de
Primeiro Orientador: RODRIGUEZ, Christian Jeremi Coronado
metadata.dc.contributor.advisor-co1: SOTOMONTE, César Adolfo Rodrigues
Resumo: 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.
Abstract: The exhaust gases of an internal combustion engine (MCI) leave the equipment still with sufficient temperature to generate more electrical power, if a system is used for this purpose. Therefore, due to this scenario of the possibility of increasing the efficiency of the energy plant, thus reducing the emission of pollutants and fuel consumption, in this work a study was made on the use of the residual energy existing in the combustion gases of an engine diesel stationary internal combustion. For this, the ORC (Organic Rankine Cycle) was used, a thermodynamic cycle that uses an organic fluid as the working fluid. The analyzes are evaluated in three parts: 1) parametric analysis of an ORC system in permanent on-design regime (within the design conditions) to ascertain the influence of the variation of thermodynamic parameters, both in power and in the flow of working fluid , with the objective of determining the optimum point of operation of the cycle, determined “design point”; 2) parametric analysis of the same cycle, now in a permanent off-design regime (outside the design conditions), to check the influences when they are varied as a characteristic of the heat source (flow and temperature), now without varying the geometric design of the equipment constituents of the cycle, which brings the functioning of the cycle closer to reality; 3) an economic analysis of the feasibility of implantation for such an ORC plant, based on the model based on CEPCI. From the thermodynamic analyzes regarding the cycle efficiency, the system design was determined for a working fluid flow of 0.09 kg / s, evaporation and condensation pressure of 3.870 kPa and 25 kPa, respectively and with the exhaust gas (heat source) at 420 ° C and 0.1697 kg / s. From that point of operation, the geometries of the basic components of the ORC were determined: evaporator, turbine, condenser and pump. For the off-design simulations, performed with the aid of the ASPEN HYSYS® V.11 software, the evaporation pressure, the working fluid flow and the heat source inlet conditions were varied. From such simulations in different conditions, a minimum, average and maximum net power production of 8.56 kW, 15.59 kW and 26.29 kW, respectively, was observed, while in the design condition of 14.72 kW. The informative economic analysis that the initial investment for the implementation of the system is R$ 93,502.22 and the financial return and the rate of return reach an average of 1.5 years and 90%, respectively, depending on the values of interest taken for investment. The study shows that the system does not require large capital investments and can bring return on investment in a short time and with satisfactory gains from then on.
Palavras-chave: Ciclo Rankine orgânico
Off-design
Análise técnica
Análise econômica
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Multicêntrico em Química de Minas Gerais
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2316
Data do documento: 25-Jan-2021
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