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
| dc.contributor.advisor1 | Santos, José Joaquim Conceição Soares | |
| dc.contributor.advisor1ID | https://orcid.org/0000-0003-3695-2014 | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/6666040476009642 | |
| dc.contributor.author | Miotto, Bruno Muniz de Freitas | |
| dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/2429610046577630 | |
| dc.contributor.referee1 | Cunha, Carla Cesar Martins | |
| dc.contributor.referee1ID | https://orcid.org/0000000298378807 | |
| dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4872949979695909 | |
| dc.contributor.referee2 | Venturini, Osvaldo José | |
| dc.contributor.referee2ID | https://orcid.org/0000-0001-7198-7621 | |
| dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/2975606575001382 | |
| dc.contributor.referee3 | Donatelli, João Luiz Marcon | |
| dc.contributor.referee3Lattes | http://lattes.cnpq.br/2019757368415541 | |
| dc.contributor.referee4 | Araújo, Leonardo Rodrigues de | |
| dc.contributor.referee4ID | https://orcid.org/0000-0003-0123-7678 | |
| dc.contributor.referee4Lattes | http://lattes.cnpq.br/9255242050135993 | |
| dc.date.accessioned | 2024-05-30T00:49:41Z | |
| dc.date.available | 2024-05-30T00:49:41Z | |
| dc.date.issued | 2021-02-27 | |
| dc.description.abstract | Thermoelectric plants with Internal Combustion Engine (ICE) are a significant part of the brazilian electricity generation. Most of these plants are installed in hot and humid regions, affecting engine performance negatively. Thus, it is interesting to analyse investment alternatives for intake air conditioning, in order to prevent load reduction (derating). Besides that, since most of these power plants are expected to dispatch sporadically, as peaking power plants, they were designed and built focusing on low investment cost, at the expense of its efficiency. Therefore, with these plants dispatching continuously due to a reduction in natural gas price and increasing draughts, opportunities for investments to install Waste Heat Recovery (WHR) systems to increase plant efficiency are surging. Therefore, a thermal system composed by an absorption chiller, fed by the engine residual heat, can produce cold water to condition intake air and, if possible, to provide further cooling to the engine cooling water, after the radiator. However, many configurations can be designed to accomplish this goal, thus a study must be done to determine the most viable option amongst them, financially and thermodynamically. This work aims to analyse, size and compare two configurations of a Waste Heat Recovery (WHR) thermal system for intake air conditioning purposes of a large ICE, with an economic feasibility study for each configuration based on real commercial proposals. A turbocharged internal combustion engine, model Wärtsilä 20V34SG, with 9 MW rated shaft power, installed at the Thermoelectric Power Plant Luiz Oscar Rodrigues de Melo (UTE LORM), in Linhares, Espírito Santo, is used as case study. A modelling of the thermal system integrated with engine is developed in Python, based on mass and energy balance from the Wärtsilä brochure and on a transient model developed separately in the GT-Power software, which also defines the maximum allowed engine’s power output. Heat exchanger, cooling tower and absorption chiller sizing are based on a period of 26 months considering distinct weather conditions which are extracted from a weather station’s record near the thermoelectric plant. Results showed that the configuration with cooling tower water aiding radiator cooling instead of cold water is the best financial option in every economic feasibility indicator. Nevertheless, as consequence, higher engine cooling water temperature should increase charge air temperature, possibly reducing engine efficiency and possibly increasing knocking occurrence. | |
| dc.description.resumo | Centrais termelétricas com motores de combustão interna (MCI) representam uma parcela significativa na geração de energia elétrica para a matriz brasileira. A maior parte dessas usinas operam em regiões de clima quente e úmido, influenciando negativamente o desempenho dos motores. Por isso, torna-se interessante analisar investimentos em sistemas térmicos para o condicionamento do ar de admissão do motor, prevenindo a operação do motor com derating (potência reduzida). Além disso, como a maior parte destas termelétricas foram projetadas com estruturas simples para operar com contratos de disponibilidade, para dar suporte a matriz energértica brasileira, a oportunidade para a instalação de um sistema de recuperação de calor residual (nos gases de exaustão ou na água de resfriamento) surge com o aumento das horas de despacho, devido à redução do preço do gás natural e a períodos de seca. Logo, pode-se projetar um sistema térmico no qual um chiller por absorção, alimentado por calor residual do MCI, produz água gelada para o condicionamento do ar de combustão e, se possível, para auxiliar a dissipação de calor do motor. Entrentanto, devido às diversas configurações existentes para este sistema térmico, é necessário um estudo para determinar a melhor opção, tanto financeiramente quanto tecnicamente. Assim, 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, baseado em propostas comerciais reais. Um motor de combustão interna Wärtsilä 20V34SG, turboalimentado de potência de eixo nominal de 9 MW, da Usina Termelétrica Luiz Oscar Rodrigues de Melo (UTE LORM) em Linhares, Espírito Santo, é utilizado como estudo de caso. Uma modelagem do motor acoplado ao sistema térmico é desenvolvido em Python, baseado em informações de catálogo do balanço de massa e energia de um motor Wärtsilä, e também em resultados de simulações de um modelo transiente do motor no software GT-Power. O dimensionamento dos trocadores de calor, da torre de resfriamento e do chiller por absorção são baseados em um histórico de dados ambientais de 26 meses, extraídos de uma estação meteorológica próxima à usina. Os resultados mostram que a configuração que utiliza água de torre de resfriamento para auxiliar o radiador, ao invés de água gelada, possui maior retorno econômico. Porém, como consequência, a maior temperatura da água de resfriamento que volta ao motor deve aumentar a temperatura do ar no coletor, o que pode limitar a eficiência do motor e aumentar a probabilidade de knocking. | |
| dc.description.sponsorship | Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) | |
| dc.description.sponsorship | Agencia Nacional De Energia Eletrica - Aneel | |
| dc.format | Text | |
| dc.identifier.uri | https://dspace5.ufes.br/handle/10/14910 | |
| dc.language | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal do Espírito Santo | |
| dc.publisher.country | BR | |
| dc.publisher.course | Mestrado em Engenharia Mecânica | |
| dc.publisher.department | Centro Tecnológico | |
| dc.publisher.initials | UFES | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica | |
| dc.rights | open access | |
| dc.subject | Chiller por absorção | |
| dc.subject | condicionamento do ar de admissão | |
| dc.subject | motor de combustão interna | |
| dc.subject | recuperação de calor residual | |
| dc.subject.br-rjbn | subject.br-rjbn | |
| dc.subject.cnpq | Engenharia Mecânica | |
| dc.title | 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 | |
| dc.title.alternative | title.alternative | |
| dc.type | masterThesis |
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