Recuperação de energia térmica residual usando ORC

Os motores de combustão interna liberam no meio ambiente cerca de 60 a 70% da energia química do combustível em forma de calor, sendo apenas a fração restante transformada em energia mecânica. Por esta razão, esforços para encontrar soluções para recuperar parte dessa energia térmica (disponível principalmente nos gases de exaustão e da água de refrigeração)

para produção de energia mecânica têm sido realizados desde a crise energética na década de 70, onde surgiu o primeiro estudo da integração de um ciclo Rankine ao motor de combustão interna [50].

Os motores de combustão interna são adequados para a produção de eletricidade em um amplo campo de aplicações, tais como geração em áreas afastadas, unidades de backup e de emergência, usinas de energia e unidades de cogeração. Os tamanhos dos motores utilizados, nestes casos, são muitas vezes de médio porte (a partir de 50 kW a 3000 kW), e que normalmente operam a sua potência nominal a maior parte do tempo. Por esta razão é possível o aproveitamento de energia térmica rejeitada, em especial a proveniente dos gases de exaustão, pois o sistema não apresenta flutuações em sua operação. Nesse sentido, têm surgido estudos na utilização de ciclos termodinâmicos de geração de potência como ORC, para o aproveitamento dessa energia. O uso do ciclo Rankine orgânico na recuperação da energia térmica residual oferece vantagens significativas em relação a outros sistemas de recuperação. De acordo com Weerasinghe et al. [51] o aproveitamento da energia térmica residual de um motor de combustão interna através de um ciclo Rankine, oferece uma economia de combustível de até 9%, em comparação com 6,5% utilizando a técnica turbo- compouding (sistema baseado na colocação de uma turbina adicional na linha de escape para geração de energia mecânica). Além disso, a energia produzida pelo sistema integrado (MCI- ORC) pode incrementar até 12%, aproveitando a energia térmica contida nos gases de exaustão [52].

A maioria das pesquisas está limitada para configurações do ORC simples, observando que apresentam um bom desempenho em aplicações com MCI, melhorando a eficiência de conversão e apresenta da redução das emissões [53]. Entretanto o ciclo simples só permite aproveitar parte da energia térmica rejeitada pelo motor.

Vaja e Gambarotta [54], estudaram o acoplamento de um ciclo ORC a um motor de combustão interna de potência de 2978 kW. Na análise termodinâmica foram utilizados três fluidos diferentes, benzeno, R134a e R11, e três configurações diferentes para o ORC: um ciclo simples, um ciclo com pré-aquecedor que utiliza a energia térmica fornecida pelo sistema de refrigeração para pré-aquecer o fluido de trabalho, e um ciclo de regeneração para o aproveitamento dos gases de exaustão do motor. A análise concluiu que tanto a configuração com regeneração como a com pré-aquecedor apresentaram melhor desempenho dos sistemas, com uma melhoria de 12% na eficiência térmica. É interessante notar que as

duas configurações são equivalentes em termos de eficiência, mas a configuração com pré- aquecedor permite aproveitar tanto a energia dos gases de exaustão como a energia do sistema de refrigeração, o que significa que há uma maior recuperação de energia do motor.

ORC com pré-aquecedor permite aproveitar a maior parte da energia térmica do MCI, YuG, et al.[55] analisaram o potencial de recuperação da energia térmica desperdiçada, produzida por um motor a Diesel usado como gerador para produção elétrica. Foram usadas duas fontes de calor, conectados ao ciclo através de permutadores. A energia térmica, contida nos gases de exaustão, é usada para evaporar o fluido de trabalho. A água de refrigeração que atravessa o bloco do motor é usada para pré-aquecer o fluido antes do processo de evaporação. Os autores concluem que o sistema permite um aumento na eficiência térmica de até 6,1%, recuperando entre 66,7-81,6% da energia contida nos gases de exaustão. Observou-se que as maiores perdas no processo correspondem ao evaporador e condensador.

Para o aproveitamento da energia térmica residual dos motores de combustão interna baseado em ORC, a seleção do fluido de trabalho é um fator essencial que afeta, tanto o desempenho quanto o custo do sistema. Frequentemente a seleção é feita com base em estudos comparativos, confrontando um número de fluidos para uma ou mais configurações e condições de operação. Os fluidos orgânicos R245fa, R245ca, R141b e R123, têm sido referenciados como uma opção viável para este tipo de ciclos na recuperação de energia térmica em MCI, já que apresentam alta eficiência térmica e o menor custo de produção de eletricidade. [43], [56].

O uso de Alcanos como fluido de trabalho do ORC também tem sido analisado, devido à suas excelentes características termo físicas e ambientais, para a aplicação em questão. Shu et al. [57] avaliaram o desempenho de 10 compostos Alcanos como fluidos de trabalho utilizando vários indicadores: eficiência térmica, fator de destruição de exergia, fator de tamanho da turbina, relação de fluxo volumétrico da turbina e potência líquida por unidade de vazão mássico dos gases de exaustão. De acordo com os indicadores avaliados, os fluidos alcanos cicloexano e ciclopentano são os mais adequados para aplicações diesel-ORC. Usando o ciclopentano como fluido de trabalho no ORC, foi obtido um acréscimo de aproximadamente 10% na potência elétrica do sistema.

Dentro da categoria dos fluidos orgânicos, alguns deles permitem obter uma maior eficiência térmica do ciclo. No entanto, do ponto de vista ambiental, pode-se abdicar de um rendimento mais elevado, a fim de usar um fluido que cause menores impactos ambientais e a saúde

humana. Nesse sentido o mais indicado pela literatura tem sido o fluido orgânico R245fa. A tabela 2.2 mostra um resumo de alguns trabalhos publicados com informação sobre vários fluidos de trabalho usados no ORC na aplicação de aproveitamento de energia residual do MCI.

Tabela 2.2. Trabalhos considerados mais relevantes efetuados na aplicação de um ORC a um MCI

Autores Fontes de

energia Fluidos considerados

Fluidos

recomendados Cond. Evap.

Vaja e Gambarotta[54]

Exaustão e

Refrigeração R134a, R11, Benzeno Benzeno 35 °C 80-220 °C

Tian et al [56] Exaustão R141b, R123, R245fa, R717, R600, R152a, R124, R134a, R290, R32, R1270, R1234yf R245fa, R141b e R123 30 °C 250 °C Srinivasan et al [53] Exaustão R113 R113 30 °C 180 °C Yu G, et al[55] Exaustão e

Refrigeração R245fa R245fa --- 25 -33 bar Wang et al [43] Exaustão R141b, R123, R245fa, R245ca, R236ea, R114, R113, R11, Butano R245fa e R245ca 27 – 87 °C 0,2 – 2 MPa

Shu et al. [57] Exaustão

Pentano, hexanoHeptano, octano nonano, decano, Isopentano, issohexano, Ciclopentano e Cicloexano Ciclopentano e Cicloexano 60 °C Temperatura de acordo com as características do fluido

Jung et al.[58] Exaustão R134a, R245fa,

R1234yf, água, etanol R245fa

30-100 °C Temperatura de acordo com as características do fluido Ganjehkaviri e Jaafar[59] Exaustão e Refrigeração R123, R134a, R124, R11, R12, R143a, R113, R125, R141b R123 50-300 kPa 1-2,5 MPa Tahani et al. [60] Exaustão e

Refrigeração R134a, R123 e R245fa R123 35 °C 153 °C

Para o aproveitamento da energia térmica dos gases do motor de combustão interna deve-se leva em consideração o efeito da contrapressão. Pois uma contrapressão excessiva no sistema de escape faz com que boa quantidade dos gases acabe não saindo dos cilindros. Isso aumenta a temperatura do motor, reduz a potência e o desempenho, além de aumentar o consumo. A quantidade de perda de potência depende de muitos fatores, mas uma boa regra é que uma polegada (25,4 mm) de mercúrio de contrapressão causa cerca de 1,0% perda de potência máxima do motor [61]. Para o presente trabalho o efeito da contrapressão não será levado em consideração.

Com base na revisão bibliográfica apresentada, conclui-se que diversos trabalhos vêm sendo desenvolvidos no sentido de aproveitamento da energia térmica rejeitada pelo motor de combustão interna, com a finalidade de reduzir o seu consumo energético e emissões de gases prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente. Embora a maior parte dos trabalhos de pesquisa tenha foco em MCI para veículos, a forma de aplicação do ORC, os parâmetros e considerações levadas em conta nestes trabalhos, podem ser aplicados para grupo gerador diesel.