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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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