DIMENSIONAMENTO e Análise de um Sistema Experimental para Recuperação de Calor Residual e Condicionamento de Ar para um Motor de Combustão Interna de Grande Porte

Nome: Bruno Muniz de Freitas Miotto
Tipo: Dissertação de mestrado acadêmico
Data de publicação: 27/02/2021
Orientador:

Nomeordem decrescente Papel
José Joaquim Conceição Soares Santos Orientador

Banca:

Nomeordem decrescente Papel
CARLA CESAR MARTINS CUNHA Examinador Externo
João Luiz Marcon Donatelli Coorientador
José Joaquim Conceição Soares Santos Orientador
Leonardo Rodrigues de Araujo Examinador Externo
Osvaldo José Venturini Examinador Externo

Resumo: Este trabalho tem como objetivo analisar, dimensionar e comparar duas configurações de um sistema térmico experimental para recuperação de calor residual e condicionamento do ar de combustão de um MCI de grande porte, efetuando um estudo de viabilidade econômica para cada configuração baseada em propostas comerciais reais. Uma motor de combustão interna Wärtsilä 20V34SG, turboalimentado de potência de eixo nominal de 9MW, da Usina Termelétrica Luiz Oscar Rodrigues de Melo (UTE LORM) em Linhares, Espírito Santo, é utilizado como estudo de caso. O sistema térmico é composto por um chiller por absorção que recupera calor residual por meio de um trocador de calor implantado no sistema de exaustão de gases, uma torre de resfriamento, um trocador de calor para auxiliar o sistema de arrefecimento do motor e uma serpentina de desumidificação e resfriamento para condicionamento do ar de admissão. A primeira configuração do sistema utiliza água proveniente da torre de resfriamento para auxiliar o sistema de resfriamento do motor, enquanto a segunda configuração utiliza água gelada. Uma modelagem do motor, baseado no balanço de energia do catálogo e em simulações de um modelo transiente do motor no software GT-Power (que permite determinar a potência máxima a ser desenvolvida), acoplado ao sistema térmico é desenvolvido em Python. O estudo de capacidade térmica necessária do chiller por absorção e o dimensionamento dos trocadores de calor, da serpentina e da torre de resfriamento são realizados baseados em um histórico de dados ambientais de 26 meses, extraídos de uma estação meteorológica próxima à usina. Com exceção do trocador de calor auxiliar ao radiador (TCA), todos os equipamentos do sistema térmico com água gelada para auxiliar sistema de arrefecimento do motor são maiores do que os da configuração alternativa, sendo que o equipamento mais caro, o chiller por absorção, necessita de uma capacidade de 185 TR na primeira configuração para atender 99,52% do histórico, em comparação com 550 TR para a segunda opção. Após o dimensionamento, uma análise de viabilidade econômica é feita tendo como base uma proposta comercial para cada configuração. Os resultados mostram que a configuração que utiliza água de torre de resfriamento no TCA, ao invés de água gelada, possui maior retorno econômico, com um investimento inicial de R$2.530.000,00, apresentando um valor presente líquido (VPL) de R$12.618.534,53, um payback descontado de 1,23 anos e taxa de retorno de investimento (TIR) de 95,66%. O segundo sistema térmico tem investimento inicial de R$4.059.300,00, apresentou um VPL de R$10.165.334,56, um payback descontado de 2,24 anos e TIR de 55,98%. Conclui-se que a configuração que utiliza água da torre de resfriamento para auxiliar o radiador é a melhor opção financeira de investimento para a empresa, enquanto a outra alternativa apresenta um pior retorno econômico porém, além de atender uma maior faixa de temperaturas ambientes devido a menor temperatura do fluxo no TCA, também evita que o motor opere tão próximo aos limites de segurança de pressão máxima no cilindro

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