Recuperação de calor residual em motores Diesel GE 7FDL com foco em eficiência energética de locomotivas utilizando ciclo Rankine orgânico (ORC)

dc.contributor.advisor1Cunha, Carla Cesar Martins
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000000298378807
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4872949979695909
dc.contributor.authorJuvencio, Rondinelli dos Santos
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/9311006891550125
dc.contributor.referee1Felipe, Ednilson Silva
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000000241472069
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4003290201240274
dc.contributor.referee2Palacio, José Carlos Escobar
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0001-8691-2737
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/1472037977658347
dc.contributor.referee3Morawski, Alexandre Persuhn
dc.contributor.referee3IDhttps://orcid.org/0000-0002-1158-3083
dc.contributor.referee3Latteshttp://lattes.cnpq.br/0116066750864705
dc.date.accessioned2024-05-30T01:41:47Z
dc.date.available2024-05-30T01:41:47Z
dc.date.issued2022-03-24
dc.description.abstractThe continuous growth of energy consumption and its consequences in terms of environmental impact is a reality in developed and developing countries and will be among the main challenges discussed in the coming years. On railroads, fuel consumption makes up the majority of operating costs. Thus, every opportunity for reduction, and the consequent savings generated, must be analyzed in detail. In addition, in response to a society increasingly concerned with the impacts caused by the exploration and use of fossil fuels, companies have sought solutions to better manage their energy sources and maximize their uses. In this way, the recovery of waste heat from internal combustion engines (ICE) of locomotives to generate electricity, aiming to reduce fuel consumption, reducing the emission of harmful gases, can become very attractive if implemented properly. In this context, the objective of this work was to verify the feasibility of recovering the residual heat from the ICE of a Dash-9 locomotive, equipped with a General Electric (GE) 7FDL engine, through an organic Rankine cycle (ORC) to reduce consumption of diesel. The study carried out through simulations, carried out in the Engineering Equation Solver (EES), found the ability to generate enough electrical energy to compose the need for the locomotive's electrical traction system. The results also point to the technical feasibility for the implementation of the ORC, with recovery of heat rejected by the cooling systems and exhaust gases of the IEC. It was found that an ORC with a simple arrangement, using the water from the cooling system as a heat source and using the fluid R134a, is able to provide a fuel economy that can reach 9.16%. Considering the same type of simple ORC arrangement, but using the heat from the exhaust gases of the ICE with the fluid R245fa, 136.9 kW of mechanical power and a specific cost of US$ 6,599.00 per kW generated were obtained. The ORC arrangement with preheating, using R245fa fluid, also presented the best results, not only for power, providing 288.6 kW, but also for the specific cost, of US$ 1,881.00 per kW generated. Regarding the economic viability of the project due to the reduction of diesel consumption, this last configuration, which led to more attractive results, equivalent to 3.24% for the internal rate of return and time to return on invested capital of 20, 2 years. Even after a sensitivity analysis of the economic viability of the project in relation to the price of diesel and the exchange rate of the Dollar, in the current conditions of equipment costs, none of the ORC arrangements studied presented results that adhered to the indicators adopted for new projects in the VLI, that are, a minimum rate of attractiveness of 17% and a payback period of less than 5 years.
dc.description.resumoO crescimento contínuo do consumo de energia e suas consequências em termos de impacto ambiental é realidade em países desenvolvidos e em desenvolvimento e estarão entre os principais desafios discutidos nos próximos anos. Nas ferrovias, o consumo de combustível compõe a maior parte dos custos operacionais. Assim, toda oportunidade de redução, e a consequente economia gerada, deve ser analisada de forma detalhada. Além disso, em resposta a uma sociedade cada vez mais preocupada com os impactos causados pela exploração e utilização de combustíveis fósseis, as empresas têm buscado soluções para melhor gerir suas fontes de energia e potencializar seus usos. Deste modo, a recuperação do calor residual dos motores de combustão interna (MCI) de locomotivas para gerar eletricidade, visando reduzir o consumo de combustível, diminuindo a emissão de gases nocivos, pode tornar-se muito atrativa se implantada de maneira adequada. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi verificar a viabilidade da recuperação do calor residual do MCI de uma locomotiva modelo Dash-9, equipada com motor 7FDL da General Electric (GE), através de um ciclo Rankine orgânico (ORC) para reduzir o consumo de diesel. O estudo feito por meio de simulações, realizadas no Engineering Equation Solver (EES), constatou a capacidade de gerar energia elétrica em quantidade suficiente para compor a necessidade do sistema de tração elétrica da locomotiva. Os resultados apontam também a viabilidade técnica para a implantação do ORC, com recuperação de calor rejeitado pelos sistemas de resfriamento e de gases de exaustão do MCI. Verificou-se que um ORC com arranjo simples, empregando a água do sistema de resfriamento como fonte de calor e utilizando o fluido R134a, é capaz de prover uma economia de combustível que pode chegar a 9,16%. Considerando-se o mesmo tipo de arranjo ORC simples, mas utilizando-se do calor dos gases de exaustão do MCI com o fluido R245fa, obteve-se 136,9 kW de potência mecânica e um custo específico de US$ 6.599,00 por kW gerado. Já o arranjo ORC com pré-aquecimento, usando o fluido R245fa, também apresentou os melhores resultados, não só para potência, disponibilizando 288,6 kW, como também para o custo específico, de US$ 1.881,00 por kW gerado. Em relação à viabilidade econômica do projeto em função da redução do consumo de diesel, esta última configuração, que conduziu a resultados mais atrativos, o equivalente a 3,24% para a taxa interna de retorno e tempo de retorno do capital investido de 20,2 anos. Mesmo após uma análise de sensibilidade da viabilidade econômica do projeto frente ao preço do diesel e do valor do câmbio do Dólar, nas condições atuais de custos dos equipamentos, nenhum dos arranjos ORC estudados apresentou resultados aderentes aos indicadores adotados para novos projetos na VLI, a saber, taxa mínima de atratividade de 17% e tempo de retorno de investimento inferior a 5 anos.
dc.formatText
dc.identifier.urihttps://dspace5.ufes.br/handle/10/16899
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado Profissional em Engenharia e Desenvolvimento Sustentável
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-graduação em Engenharia e Desenvolvimento Sustentável
dc.rightsopen access
dc.subjectRecuperação de calor residual
dc.subjectCiclo Rankine orgânico
dc.subjectLocomotiva
dc.subjectEficiência energética
dc.subjectMotor de combustão interna
dc.subject.br-rjbnsubject.br-rjbn
dc.subject.cnpqEngenharia Sanitária
dc.titleRecuperação de calor residual em motores Diesel GE 7FDL com foco em eficiência energética de locomotivas utilizando ciclo Rankine orgânico (ORC)
dc.title.alternativetitle.alternative
dc.typemasterThesis

Arquivos

Pacote original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
RondinellidosSantosJuvencio-2022-dissertacao.pdf
Tamanho:
2.49 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format