O Uso do Método de Superfície de Resposta na Otimização Termoeconômica de Superestruturas Modeladas em Software Comercial para Projeto de Sistemas de Recuperação de Calor Residual em Motores Diesel Estacionários

Nome: Leonardo Rodrigues de Araujo
Tipo: Tese de doutorado
Data de publicação: 29/06/2020
Orientador:

Nomeordem crescente Papel
José Joaquim Conceição Soares Santos Orientador

Banca:

Nomeordem crescente Papel
Wellington Betencurte da Silva Examinador Interno
Marcio Ferreira Martins Examinador Interno
Marcelo José Colaço Examinador Externo
Julio Augusto Mendes da Silva Examinador Externo
José Joaquim Conceição Soares Santos Orientador
João Luiz Marcon Donatelli Coorientador
Helder Roberto de Oliveira Rocha Examinador Externo

Resumo: Em um mundo com recursos finitos de combustíveis naturais, aumento da demanda de energia e níveis crescentes de poluição ambiental, questões relacionadas ao projeto de sistemas térmicos, como eficiência energética, estimativa de custos, complexidade de projeto, conscientização ambiental e otimização estão se tornando cada vez mais comuns. Em um motor de combustão interna (MCI) de grande porte, Diesel e estacionário, menos de 45% da energia do combustível é convertida em energia útil, enquanto a energia restante é perdida, principalmente por gases de exaustão, água de resfriamento e sistema de lubrificação. Dessa forma, a implementação de sistemas de recuperação de calor residual (SRCR) em MCI tem sido uma das principais áreas de pesquisa para aumentar a potência, reduzir o consumo de combustível e as emissões de poluentes, o que favorece a melhoria desse equipamento. Atualmente, existem dois desafios importantes em relação ao uso de SRCR em MCI: (i) Qual é a melhor tecnologia ou uma associação delas para recuperação de calor residual em um MCI do ponto de vista econômico? (ii) Qual é a configuração ideal e os melhores parâmetros de projeto do sistema térmico mais adequado? Neste trabalho é realizada a otimização termoeconômica de superestruturas para recuperação de calor residual em um MCI, sendo estas compostas por Ciclo Rankine Orgânico (ORC), Ciclo Kalina (KC) e Ciclo Rankine Convencional (CRC). Para esse fim, o modelo econômico de cada um dos componentes da superestrutura é fornecido e uma função de adequação é introduzida com base no custo específico. Devido à complexidade do problema de otimização termoeconômica da superestrutura, o uso do método de superfície de resposta (MSR) no problema de otimização pode se tornar mais eficiente quando comparado à otimização da modelagem original. O problema de otimização termoeconômica da superestrutura, bem como sua modelagem termodinâmica e econômica, são formulados e solucionados com os softwares EES e Octave. Para uma superestrutura de tamanho médio (384 variáveis - 17 variáveis de decisão), apesar do alto custo computacional, o uso do MSR no problema de otimização é mais eficiente do que a otimização da modelagem original. Enquanto que, para uma superestrutura de grande porte (944 variáveis - 45 variáveis de decisão), o uso do MSR torna possível resolver o problema de otimização.
Palavras-chave:
Método de superfície de resposta, otimização, superestrutura, software comercial, sistemas de recuperação de calor residual, motor de combustão interna.

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