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Análise do Motor 2016.1

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ANÁLISE TÉRMICA DO MOTOR WÄRTSILÄ W20v32 
ALUNO: LEONARDO AZEVEDO AROUCHA BORGES 
MÁQUINAS TÉRMICAS – 2016.1 
 
 
1) DETERMINAÇÃO DOS ESTADOS TERMODINÂMICOS 
 
Figura 1: Diagrama Pv - Ciclo Diesel 
 
 
Figura 2: Estados termodinâmicos do ciclo diesel 
 
 Os dados necessários para a determinação de todos os estados termodinâmicos estão 
listados na tabela abaixo, e foram retirados da dissertação de Ciro Colonna Ribeiro – UFES: 
Temperatura na saída do resfriador (ºC) 55 
Pressão na saída do resfriados (bar) 3,423 
Pressão média efetiva (kPa) 2330 
Temperatura de entrada na turbina A (ºC) 536 
Temperatura de entrada na turbina B (ºC) 527 
 
 Tendo esses dados em mãos, calcula-se os estados termodinâmicos: 
a) ESTADO 1 
 
b) ESTADO 2 
 Para esse estado, é necessário fazer um processo de iteração para determinar P2. Como 
já foi feito no projeto, achou-se por tentativas que a taxa de compressão boa foi de 15:1. Para 
se chegar nesse valor, fez-se o seguinte: 
1- Supôs-se uma taxa de compressão de 15:1 
2- TC = v1/v2 -> v2 = v1/TC = 0,27514/15 = 0,018342 m³/kg 
3- v = volume específico deslocado pelo pistão = v1-v2 
v = 0,27514 – 0,018342 = 0,256798 m³/kg 
4- Como TC = 15:1, então será analisado as pressões correspondentes para 14 incrementos 
de volume (com o movimento ascendente do êmbolo). Daí, cada incremento de volume 
será v’ = v/14 = 0,256798/14 = 0,018342. Sendo assim: 
 
c) ESTADO 4 
 
d) ESTADO 3 
 
 
2) ANÁLISE ENERGÉTICA 
 Têm-se disponível o balanço energético do motor W20V32 na dissertação, operando 
em alta eficiência: 
 
Figura 3: Balanço energético do motor 
 Que correspondem a dados reais e serão comparados posteriormente após a obtenção 
de dados teóricos calculados a partir de dados dos estados termodinâmicos. No projeto, foi feito 
um procedimento onde achou-se o calor específico a pressão constante Cp = 1,2034 kJ/kgK para 
os gases de exaustão. Será considerado também k = 1,4, obtendo um calor específico a volume 
constante cv = 0,8596 kJ/kgK. Sendo assim, calcula-se: 
 
 Pode-se agora, calcular o rendimento térmico do motor: 
 
 A dissertação ainda informa parâmetros relacionados a admissão e exaustão de gases, 
mostrados na tabela abaixo: 
Fluxo de ar no sistema de admissão de ar (kg/s) 16,2 
Vazão de ar no sistema de exaustão de gases (kg/s) 16,7 
 
 Por um balanço simples de massa conclui-se que 0,5 kg/s de combustível óleo OCB1, 
que contém um PCI = 40785 kJ/kg (também informado na dissertação), são injetados na etapa 
2-3 do ciclo diesel (para todos os 20 cilindros, para a análise de cada cilindro como foi feito 
anteriormente, basta dividir o valor da vazão igualmente por 20). De tal forma, é possível 
calcular: 
 
 Os dados reais mostrados na figura 3 mostra que a energia (potência) total disponível 
para o funcionamento é de: 
Qin (real) = 9000 + 1333 + 1417 + 1250 + 1067 + 5600 + 225 = 19862 kW (para os 20 cilindros) 
 O que equivale a 994,5 kW para cada cilindro. Valor bastante próximo ao calculado 
acima utilizando a vazão e o PCI do combustível óleo OCB1. Pode-se calcular também: 
 
 A figura 3 mostra que 5600 kW foram utilizados nos gases de exaustão nos 20 cilindros, 
o que significa 280 kW para cada cilindro. Valor também próximo ao encontrado acima. 
 A figura abaixo foi retirada do livro “Geração Termelétrica – Projeto, planejamento e 
operação” e mostra um balanço energético típico de um motor: 
 
Figura 4 
 É possível fazer um comparativo e comprovar os resultados obtidos analiticamente 
(teoricamente). Por exemplo 
 
 
 Valor próximo ao informado na literatura, de 29% e 3% respectivamente. Pode-se fazer 
uma espécie de Diagrama de Sankey para representar toda a energia utilizada no motor: 
 
3) PROPOSTA DE REUTILIZAÇÃO DE ENERGIA 
Ciclos Rankines Orgânicos podem ser acoplados a motores automotivos o que 
possibilitou um breve estudo patrocinado pela Fundação para a Ciência Natural da 
República Popular da China (NSFC), com um motor a diesel de 4 tempos e 6 cilindros 
objetivando reaproveitar o calor residual proveniente da queima de combustível nesses 
motores, em um esquema semelhante ao da figura abaixo: 
 
Figura 5 
Utilizando um fluido de trabalho R245fa, notou-se que com o aumento da 
pressão de evaporação houve um aumento na potência de saída no ciclo ORC e uma 
diminuição no fluxo de massa do fluido de trabalho devido a um aumento gradual na 
densidade de energia de saída do fluido de trabalho. A energia dos gases de escape do 
motor varia com o tempo, e para uma eficaz recuperação da energia de exaustão deve-
se regular o fluxo de massa dos fluidos de trabalho com essa variação da energia dos 
gases de escape. Os valores máximos para a potência de saída para o sistema ORC 
(22.41kW), aumento da eficiência térmica do motor (8.0855%), eficiência da 
recuperação de calor (7.729%) e para a proporção de melhoria no consumo de 
combustível (7.423%) foram obtidos quando o motor tinha uma rotação de 2200 rpm e 
um torque de 1200 N.m. 
Uma das alternativas encontradas seria reaproveitar o calor que deixa as 
máquinas em gases de escape e sistemas de arrefecimento aumentando sua eficiência, 
reduzindo o consumo de combustível e por fim, diminuindo consideravelmente a 
emissão de poluentes no meio ambiente. 
Um dos possíveis sistemas de reaproveitamento energético é o Ciclo Rankine 
Orgânico (ORC), que absorve calor residual de uma fonte e transforma em energia 
elétrica ou térmica utilizando diversos fluidos de trabalho que devem ser capazes de 
produzir o máximo de energia preservando características de projeto previamente 
estabelecidas e fundamentais (tal como potencial de corrosividade, baixo custo, 
inflamabilidade, etc). 
A proposta aqui portanto, não é bem utilizar os calores de gases de exaustão 
para usos pessoais como aquecimento de água para uso geral, por exemplo. Mas sim 
utilizar essa energia a fim de aumentar a eficiência do próprio processo em questão, 
mesmo que a eficiência dessa reutilização não seja tão alta, a depender dos objetivos 
de uma empresa que utilize essa planta térmica estudada neste projeto.

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