Avaliação do potencial de aproveitamento da energia contida nos gases de escape de veículos automóveis

Transcrição

1 Avaliação do potencial de aproveitamento da energia contida nos gases de escape de veículos automóveis António Manuel Martins Domingues Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Professor Doutor João Rogério Caldas Pinto Orientador: Professor Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa Co-Orientador: Doutor Hélder Manuel Ferreira dos Santos Vogal: Professor Doutor Edgar Caetano Fernandes Outubro de 2011

2 Avaliação do potencial de aproveitamento da energia contida nos gases de escape de veículos automóveis António Manuel Martins Domingues Dissertação para obtenção de Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Outubro de 2011

3 Este trabalho reflecte as ideias dos seus autores que, eventualmente, poderão não coincidir com as do Instituto Superior Técnico.

4

5 Agradecimentos Ao professor Mário Costa, na qualidade de orientador, agradeço o apoio e orientação prestados durante a realização do presente trabalho. Ao professor Hélder Santos, na qualidade de co-orientador, agradeço a sua disponibilidade, a ajuda no acompanhamento do presente trabalho e a preciosa colaboração na revisão do presente documento. Agradeço ao Eng. Meira Afonso da Hydroplan Portugal, pelo fornecimento de um permutador de calor EGR de um camião MAN para fins de investigação. Agradeço a todos os colegas de laboratório que contribuíram para um bom ambiente de trabalho, assim como produtivo. Agradeço ainda a todos os meus amigos. Por último quero agradecer e dedicar a tese à minha família pelo apoio prestado em todos os momentos da minha vida. i

6 Resumo O aumento do preço e a escassez dos combustíveis fósseis requer veículos automóveis cada vez mais eficientes. O presente trabalho avalia o potencial de aproveitamento da energia térmica contida nos gases de escape de veículos automóveis, tendo considerado a integração de um ciclo de Rankine como sistema de recuperação de energia térmica. Foi desenvolvido um modelo numérico para análise termodinâmica de um ciclo de Rankine que utiliza o calor residual contido nos gases de escape de um motor de combustão interna. Para as simulações foram utilizados resultados experimentais obtidos num veículo testado num banco de ensaios. A análise termodinâmica foi efectuada para os fluidos de trabalho água, R123 e R245fa. Demonstrou-se a vantagem da utilização de água como fluido de trabalho numa aplicação de recuperação de energia térmica dos gases de escape num veículo automóvel equipado com um motor de ignição por faísca. Utilizando componentes de permuta ideais os resultados das simulações mostram aumentos da eficiência térmica do sistema combinado e poupança de combustível (aumento da eficiência mecânica) até máximos de 3% e 16%, respectivamente. Considerando um permutador de calor tubular real, os resultados das simulações apontam para um aumento de 1,2% da eficiência térmica e um aumento de 5,4% da eficiência mecânica, considerando uma pressão de evaporação do fluido de trabalho de 2 MPa. Os resultados confirmam a exequibilidade e vantagem do aproveitamento da energia térmica contida nos gases de escape para co-geração através da aplicação do ciclo de Rankine em veículos automóveis. O modelo numérico foi, ainda, adaptado para simular uma possível instalação protótipo (caso de estudo) utilizando equipamentos já disponíveis (Turbina GreenTurbine e permutador EGR de um veículo pesado). Neste caso os resultados revelaram um aumento da eficiência mecânica de 3,8%. Palavras-chave: recuperação de energia dos gases de escape; ciclo de Rankine; fluido de trabalho; rendimento termodinâmico; permutador de calor. ii

7 Abstract With increasing oil prices and growing interest in cutting emissions of greenhouse gases, waste heat recovery techniques based in Rankine cycle systems, appear as a very promising path to enhance the thermal efficiency of internal combustion engines. This study evaluates the potential use of thermal energy contained in exhaust gases of vehicles. It was developed a numerical model for the thermodynamic analysis of a Rankine cycle that uses waste heat contained in the exhaust gases of an internal combustion engine. All characteristics related to a tubular heat exchanger have been incorporated in the thermodynamic model. For the simulations, it was used experimental results obtained in a vehicle tested on a test bench. The thermodynamic analysis was performed for the following working fluids: water, R123 and R245fa. The results confirm the advantage of using water as working fluid in applications of thermal recovery from exhaust gases of vehicles equipped with a spark-ignition engine. Using ideal heat exchanger components the simulations reveal increases in thermal efficiency and fuel savings (increased mechanical efficiency) of around 3% and 16%, respectively. Considering a tubular heat exchanger, the simulations show an increase of 1.2% in the thermal efficiency and an increase of 5.4% in the mechanical efficiency for an evaporating pressure of 2 MPa. The results confirm the achievability and advantages of the use of the thermal energy contained in the exhaust gases through a co-generation application of the Rankine cycle in cars. Finally, the model was adapted to simulate a possible prototype (case study) using equipment already available (EGR heat exchanger and turbine GreenTurbine). The results show an improvement of mechanical efficiency of 3.8%. Keywords: waste heat recovery; Rankine cycle; working fluid; thermodynamics efficiency; heat exchanger. iii

8 Índice Agradecimentos... i Resumo... ii Abstract... iii Índice... iv Lista de figuras... vi Lista de tabelas... ix Nomenclatura... x 1. Introdução Enquadramento e motivação Objectivos Estrutura da dissertação Revisão bibliográfica Introdução Fundamentos teóricos Estudos antecedentes Recuperação da energia térmica contida nos gases de escape Recuperação da energia contida nos gases de escape de motores de combustão interna Aplicações do ciclo de Rankine em veículos automóveis Fluido de trabalho Expansor Permutador de calor Tecnologias comerciais em desenvolvimento Modelação termodinâmica Introdução Modelação do ciclo de Rankine Ciclo de Rankine real Aplicação do ciclo de Rankine real num automóvel Dados de entrada do modelo termodinâmico Diferença mínima de temperatura (ponto crítico) Selecção do fluido de trabalho iv

9 Algoritmo de cálculo do ciclo de Rankine Optimização do ciclo termodinâmico Modelação do permutador de calor Permutador de calor tubular Coeficiente global de transferência de calor Método da efectividade-nut Análise de resultados Introdução Ciclo de Rankine Permutador de calor Resultados do caso de estudo Permutador EGR Permutador de placas finas Resultados globais Conclusão Conclusões Sugestão de trabalhos futuros Referências bibliográficas Anexos A. Resultados experimentais Características do veículo de testes Parâmetros do motor B. Complementos ao modelo matemático Recuperação de calor (com pré-aquecedor) Método de efectividade-nut Algoritmo de cálculo para o permutador de calor Excerto programa em Matlab C. Resultados adicionais v

10 Lista de figuras Figura 1.1 Consumo de energia final petrolífera por sector (IEA 2008) Figura 1.2 Diagrama de Sankey (Toom et al., 2008) Figura 1.3 Principais fontes de calor para recuperação de energia térmica num MCI (Barreiros e Santos 2010) Figura 1.4 Diagrama de Sankey com aproveitamento energético dos gases de escape (Toom et al., 2008) Figura 2.1 Esquema de operação de um ciclo de Rankine... 9 Figura 2.2 Representação esquemática da instalação de Yamada e Mohamad (2010) com e sem condensador Figura 2.3 Esquema das instalações de recuperação de calor de Vaja e Gambarotta (2010) com (a) pré-aquecedor e (b) recuperador Figura 2.4 Representação esquemática de fluidos (a) isentrópicos, (b) húmidos e (c) secos (Srinivasan et al., 2010) Figura 2.5 Permutador de calor analisado por Wipplinger et al. (2006) Figura 2.6 Representação esquemática das quatro geometrias de permutadores analisados por Mavridou et al., (2010) (a) carcaça e tubos; (b) tubos alhetados; (c) superfície com rugosidade forçada; (d) permutador de placas Figura 2.7 Projecto turbosteamer desenvolvido pela BMW (Obieglo et al., 2009) Figura 2.8 Projecto desenvolvido pela HONDA (Kadota e Yamamoto, 2008) Figura 2.9 Projecto desenvolvido pela Heat2power (Toom et al., 2008) Figura 3.1 Diagrama T-s para o ciclo de Rankine ideal (linha a cheio) e real (linha a tracejado) Figura 3.2 Representação esquemática de uma instalação RC num veículo Figura 3.3 Propriedades termofísicas dos gases de escape Figura 3.4 Potência calorífica dos gases de escape Figura 3.5 Temperatura dos gases de escape e do fluido de trabalho em função do balanço energético relativo no evaporador Figura 3.6 Diagrama T-s para a água (p evap = 2 MPa) Figura 3.7 Diagrama T-s para o R123 (p evap = 2 MPa) Figura 3.8 Diagrama T-s para o R245fa (p evap = 2 MPa) Figura 3.9 Algoritmo de cálculo utilizado para o cálculo das variáveis do RC vi

11 Figura 3.10 Esquema de uma instalação RC com recuperador de calor num veículo Figura 3.11 Áreas funcionais do permutador consideradas no modelo Figura 4.1 Rendimento do ciclo termodinâmico (RC) em função da pressão de evaporação. 50 Figura 4.2 Razão entre volumes específicos em função da pressão de evaporação Figura 4.3 Temperatura do fluido à entrada do expansor em função da pressão de evaporação Figura 4.4 Aumento do rendimento termodinâmico em função da temperatura de sobreaquecimento (p evap = 2 MPa) Figura 4.5 Potência útil produzida pelo sistema de recuperação de energia (RC) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 9 tabela 3.2) Figura 4.6 Caudal mássico do fluido de trabalho em função da pressão de evaporação (Condição de operação 9 tabela 3.2) Figura 4.7 Razão entre o calor disponível para recuperação e o calor do processo de aquecimento e evaporação em função da pressão de evaporação Figura 4.8 Rendimento termodinâmico em função da pressão de evaporação Figura 4.9 Rendimento do ciclo termodinâmico em função da temperatura de entrada na bomba (p evap = 2 MPa) Figura 4.10 (a) Número de Reynolds, (b) número de Nusselt, (c) coeficiente de convecção e (d) eficiência de permuta em função do número de tubos Figura 4.11 Perda de pressão relativa para as três geometrias em estudo em função do número de tubos Figura 4.12 (a) Área de permuta de calor, (b) área específica de contacto em função do número de tubos Figura 4.13 Esquema representativo do escoamento coaxial no permutador de calor tubular Figura 4.14 Caudal mássico de fluido de trabalho em função da pressão de evaporação (Condição de operação 9 tabela 3.2) Figura 4.15 Eficiência de permuta em função da pressão de evaporação (Condição de operação 9 tabela 3.2) Figura 4.16 Potência útil do ciclo em função da pressão de evaporação (Condição de operação 9 tabela 3.2) Figura 4.17 Permutador EGR de um veículo pesado MAN Figura 4.18 Secção transversal do permutador EGR de um veículo pesado MAN Figura 4.19 Turbina (e gerador incorporado) desenvolvida pela Greenturbine vii

12 Figura 4.20 Diagrama T-s de funcionamento do caso de estudo Figura 4.21 Permutador de placas finas Figura 4.22 Permutador desenvolvido pela Thesis (Ambros et al., 2011) Figura A.1 Veículo na instalação experimental (Marques, 2010) Figura B.1 Algoritmo de cálculo da permuta de calor Figura C.1 Potência útil produzida pelo sistema de recuperação de energia (RC) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 3 tabela 3.2) Figura C.2 Potência útil produzida pelo sistema de recuperação de energia (RC) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 13 tabela 3.2) Figura C.3 Caudal mássico de fluido de trabalho em função da pressão de evaporação (Condição de operação 3 tabela 3.2) Figura C.4 Caudal mássico de fluido de trabalho em função da pressão de evaporação (Condição de operação 13 tabela 3.2) Figura C.5 Caudal mássico (permutador tubular) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 3 tabela 3.2) Figura C.6 Caudal mássico (permutador tubular) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 13 tabela 3.2) Figura C.7 Eficiência de permuta (permutador tubular) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 3 tabela 3.2) Figura C.8 Eficiência de permuta (permutador tubular) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 13 tabela 3.2) Figura C.9 Potência útil ciclo (permutador tubular) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 3 tabela 3.2) Figura C.10 Potência útil ciclo (permutador tubular) em função da pressão de evaporação (Condição de operação 13 tabela 3.2) viii

13 Lista de tabelas Tabela 2.1 Resultados obtidos por Chammas e Clodic (2005) Tabela 2.2 Resumo das eficiências combinadas obtidas por Vaja e Gambarotta (2010) Tabela Resumo de estudos com fluidos de trabalho Tabela 3.1 Valores assumidos para o funcionamento do ciclo de Rankine Tabela 3.2 Dados de entrada (Marques, 2010) Tabela 3.3 Composição média dos gases de escape Tabela 3.4 Equações das propriedades termofísicas dos gases de escape em função da temperatura Tabela 3.5 Resumo das propriedades termodinâmicas dos fluidos seleccionados Tabela 3.6 Resumo das características de projecto dos fluidos seleccionados Tabela 3.7 Geometrias de secção tubular do permutador estudadas Tabela 4.1 Relação entre a temperatura do fluido na entrada da bomba com a temperatura e pressão de condensação Tabela 4.2 Características geométricas principais do permutador calor em estudo Tabela 4.3 Características geométricas do permutador tubular considerado nas simulações Tabela 4.4 Características geométricas do permutador EGR Tabela 4.5 Características de funcionamento termodinâmico Tabela 4.6 Resultados da simulação do caso de estudo Tabela 4.7 Rendimento termodinâmico e aumento das eficiências térmica e mecânica do veículo com o aproveitamento da energia térmica contida nos gases de escape Tabela 4.8 Valores típicos do coeficiente global de transferência de calor (Ellis et al. 2011). 71 Tabela 4.9 Coeficientes globais de transferência de calor (Condição de operação 13 ver tabela 3.2) Tabela A.1 Características do veículo e motor ix

14 Nomenclatura Caracteres romanos A área [m 2 ] A/F razão de ar/combustível [-] b braço [m] B binário [N m -1 ] c p calor especifico [kj kg -1 K -1 ] d diâmetro [m] D h diâmetro hidráulico [m] f factor de atrito [-] F força [N] h entalpia [kj kg -1 ] h coeficiente de convecção [W m -2 K -1 ] k coeficiente de condução térmica [W m -1 K -1 ] L comprimento [m] m caudal mássico [kg s -1 ] N velocidade de rotação do motor [rpm] N t número de tubos [un.] Nu número de Nusselt [-] p pressão [Pa] P potência [W] PCI poder calorífico inferior [MJ kg -1 ] Pr número de Prandtl [-] Q calor [kj kg -1 ] R d resistência de sujamento [m 2 K W -1 ] Re número de Reynolds [-] T temperatura [K] U coeficiente global de transferência de calor [W m -2 K -1 ] V velocidade [km h -1 ] v volume específico [m 3 kg -1 ] W trabalho [kj kg -1 ] Caracteres gregos β área específica de contacto [m 2 m -3 ] δ distância entre tubos [m] ε eficiência de permuta [-] x

15 η rendimento [-] λ coeficiente de excesso de ar [-] μ viscosidade dinâmica [N s m -2 ] ρ densidade [kg m -3 ] φ razão entre a viscosidade média e a viscosidade na parede [-] Subscritos 0 inicial 1,2,3,4 processos no ciclo de Rankine c frio (fluido) cond condensação cr crítico e efectivo evap evaporação f fluido de trabalho g gases de escape h hidráulico h quente (fluido) in entrada do sistema max máximo min mínimo net útil out saída do sistema p bomba pp pinch-point R recuperador s processo isentrópico T turbina x saturado Abreviaturas APVGN EEA EGR IEA MCI Associação Portuguesa do Veículo a Gás Natural Agência Europeia do Ambiente Exhaust Gas Recirculation, na literatura Inglesa Agência Internacional da Energia Motores de Combustão Interna xi

16 NTU OPEP ORC RC TEG TWC WHR Number of Transfer Units, na literatura Inglesa Organização dos Países Exportadores de Petróleo Organic Rankine Cycle, na literatura Inglesa Rankine Cycle, na literatura Inglesa Thermo Electric Generator, na literatura Inglesa Three Way Catalist, na literatura Inglesa Waste Heat Recovery, na literatura Inglesa Espécies químicas CO CO 2 NO x HC Monóxido de carbono Dióxido de carbono Óxidos de azoto Hidrocarbonetos xii

17 Capítulo 1 1. Introdução 1.1. Enquadramento e motivação A energia é um tema de elevado interesse a nível mundial por se tratar de um bem dispendioso e monopolizado geopoliticamente. Nas últimas décadas surgiram também crescentes preocupações a nível económico ambiental. De acordo com os últimos indicadores, cerca de 81,3% 1 da energia primária consumida mundialmente é proveniente de combustíveis fósseis. Estando ainda longe a era sem petróleo, actualmente e a curto prazo, grandes desenvolvimentos tecnológicos e grande parte dos investimentos irão incidir na redução da dependência de combustíveis fósseis. Apesar dos elevados investimentos na tentativa de redução da dependência de produtos petrolíferos, na próxima década, segundo as estimativas da OPEP (Organização dos Países Exportadores de Petróleo) tudo indica que irá existir um aumento no consumo e, consequentemente, na extracção de petróleo, sendo o sector dos transportes o grande responsável pela tendência de subida, a nível mundial, como mostra a figura 1.1. Esta tendência de aumento de consumo é explicada pelo aumento da procura e utilização dos recursos energéticos pelas economias emergentes (por exemplo, China e Índia). Segundo estatísticas da Agência Europeia do Ambiente (EEA), o sector dos transportes representa aproximadamente 1/3 do consumo final de energia, sendo responsável por mais de 20% do total das emissões de substâncias poluentes (gases com efeito de estufa) dos países membros da União Europeia. 1 Indicador de 2008 retirado da International Energy Agency (IEA) 1

18 Figura 1.1 Consumo de energia final petrolífera por sector (IEA 2008). Actualmente, o sector rodoviário está extremamente dependente de combustíveis fósseis e é o responsável por cerca de 90% do total de emissões poluentes no sector dos transportes. Muitos problemas ambientais estão directamente relacionados com o sector dos transportes. Os mais evidentes são a poluição atmosférica e sonora, sendo a primeira especialmente grave para a saúde humana e para os ecossistemas. Os veículos automóveis surgiram há cerca de um século como um importante instrumento de mobilidade, capaz de transportar pessoas e bens rápida e confortavelmente, contribuindo assim para o bem-estar das populações. No entanto, rapidamente se constatou que estas vantagens tinham um custo elevado. Com o crescimento acelerado da sua utilização, nomeadamente nos países mais desenvolvidos, os automóveis começaram a ser vistos como causadores e/ou contribuidores efectivos para o agravamento de vários problemas ambientais. Os veículos automóveis mais usados na actualidade utilizam motores de combustão interna (MCI) como sistema de propulsão. Os MCI emitem substâncias poluentes que influenciam directamente a composição química do ar que respiramos, afectando também o clima. A poluição automóvel é, em grande parte, local, afectando directamente a saúde das populações, quando expostas a níveis elevados de concentrações de substâncias poluentes, no local em que é gerada. No entanto, uma vez que muita dessa poluição atmosférica não se encontra restringida localmente, dá origem aos chamados efeitos globais, cada vez mais preocupantes. Os efeitos globais, directa ou indirectamente influenciados pelos automóveis, são o efeito de estufa, as chuvas ácidas e a destruição da camada de ozono. O smog (nevoeiro fotoquímico), apesar de não ser um efeito global, é uma consequência indirecta da poluição automóvel que afecta grandes zonas urbanas. As exigentes normas europeias colocam enormes desafios aos construtores automóveis, impulsionando constantes evoluções a nível da admissão, recirculação de gases de escape, geometria das câmaras de combustão, misturas, injecção e tratamento de gases de escape, de modo a diminuir os consumos de combustível e controlar as emissões de 2

19 poluentes. As metas a alcançar, cada vez mais ambiciosas, exigem constante desenvolvimento e investigação nesta indústria. A figura 1.2 mostra um diagrama de Sankey que ilustra qualitativamente, o processo de consumo de energia num MCI a operar em condições óptimas de funcionamento. Energia contida no combustível [100%] Radiação e convecção [5%] Energia mecânica Sistema de arrefecimento Sistema de escape Figura 1.2 Diagrama de Sankey (Toom et al., 2008). Tal como se pode observar na figura 1.2, cerca de 1/3 da energia contida no combustível é convertida em energia mecânica (utilizada na propulsão do veículo e equipamentos auxiliares) e os restantes 2/3 da energia são desperdiçados sob a forma de calor residual (através do sistema de escape, do sistema de refrigeração e, ainda, por radiação e convecção). Estes desperdícios de energia sob a forma de calor explicam a baixa eficiência dos MCI com rendimentos térmicos próximos de 30%. Actualmente, num contexto de crescente afirmação do paradigma do desenvolvimento sustentável, é necessário estabelecerem-se regras mais exigentes com objectivo de acelerar a implementação de tecnologias mais eficientes. A mobilidade eléctrica apresenta-se como uma solução eficiente e sustentável graças à diminuição da poluição atmosférica e sonora urbana, surgindo como uma importante oportunidade para a indústria automóvel. Esta pode ser uma tecnologia chave para o crescimento da indústria nas próximas décadas, mas apesar de ser um tema bastante actual, trata-se de uma tecnologia muito recente que levanta ainda alguns problemas principalmente a nível de utilização e relacionados com o seu ciclo de vida. Numa fase intermédia, os veículos híbridos eléctricos terão um papel fundamental na fase de transição para os veículos totalmente eléctricos. Assim, apesar de existirem novas tecnologias de sistemas de propulsão, o MCI é, e continuará a ser por algumas décadas o sistema de propulsão mais utilizado em veículos automóveis. Neste contexto, a optimização da eficiência energética dos MCI revela-se primordial para a redução do consumo energético no sector dos transportes. Os combustíveis de origem fóssil são a principal fonte de energia no sector dos transportes rodoviários, correspondendo a 98% do combustível utilizado neste sector. Assim 3

20 sendo, a solução terá de passar inevitavelmente por uma mobilidade eficiente e sustentável, recorrendo à utilização de veículos com MCI mais eficientes e a uma condução mais eficiente. Nos MCI estão previstas um conjunto de alterações que podem passar por um aumento da utilização de combustíveis alternativos, biocombustíveis, gás natural, entre outros, com a intenção de reduzir a dependência de combustíveis derivados de petróleo. A utilização de biocombustíveis, para além de diminuir a dependência do petróleo, permite uma fácil adaptação na maioria dos motores existentes no mercado. No caso do gás natural, que produz menos cerca de 80% de CO, 40% de NO x, 73% de HC e 23% de CO 2 face a um motor a gasolina convencional (APVGN, 2010), o grande problema é a construção de infra-estruturas que garantam uma rede de abastecimentos adequada. Independentemente do combustível utilizado, num veículo equipado com um MCI é libertada (desperdiçada uma grande quantidade de energia térmica (calor) para o exterior do sistema. Portanto, a optimização dos MCI exige a avaliação do potencial de sistemas de recuperação dessa energia térmica, perspectivando uma melhoria da eficiência global de conversão energética. A figura 1.3 mostra as principais fontes de calor com potencial para aproveitamento térmico num MCI. Sistema de arrefecimento (ii) EGR cooler (iii) Escape Sistema de escape (i) Intercooler (iv) Ar Figura 1.3 Principais fontes de calor para recuperação de energia térmica num MCI (Barreiros e Santos 2010). A energia térmica é desperdiçada pelo MCI através: (i) do sistema de exaustão (escape), (ii) do sistema de refrigeração do motor, (iii) do sistema de arrefecimento na recirculação dos gases de escape (EGR, Exhaust Gas Recirculation, na literatura inglesa) e (iv) do sistema de arrefecimento do ar de admissão, pós compressor, normalmente denominado por intercooler. 4

21 O objectivo do presente trabalho centra-se no aproveitamento da energia térmica contida nos gases de escape com a finalidade de a converter em energia mecânica ou eléctrica útil ao sistema de propulsão e/ou sistemas auxiliares. A figura 1.4 mostra um diagrama de Sankey do processo de consumo de energia num MCI que integra um sistema de recuperação de energia térmica dos gases de escape. Energia contida no combustível [100%] Radiação e convecção [5%] Energia mecânica Sistema de arrefecimento Sistema de escape Figura 1.4 Diagrama de Sankey com aproveitamento energético dos gases de escape (Toom et al., 2008). Actualmente existem diversos sistemas de recuperação de energia térmica para o aproveitamento de fontes de calor de baixa temperatura provenientes de áreas tão distintas como a energia solar térmica, calor residual de processos industriais e gases de escape e veículos. O interesse na recuperação de calor tem crescido nestas últimas décadas e o potencial para exploração de fontes de calor residual dos gases de escape dos MCI e de processos industriais é particularmente promissora. Para os veículos automóveis equipados com MCI a solução que se apresenta como mais promissora, com uma melhor relação de custo benefício e com menores efeitos nos MCI, consiste na instalação de um ciclo de potência a vapor, ciclo de Rankine (RC, Rankine cycle, na literatura Inglesa). Este sistema utiliza a energia térmica contida nos gases de escape como fonte de calor, através da colocação de um permutador/evaporador de calor no sistema de escape após o catalisador. Em resumo, com a instalação de um ciclo fechado de potência a vapor em veículos, os sistemas passam a ter a capacidade de gerar potência mecânica ou eléctrica adicional sem a introdução extra de combustível, reduzindo, desta forma, quer o consumo específico de combustível, quer as emissões específicas de poluentes. A energia produzida pelo RC, ou pelo ciclo de Rankine orgânico (ORC, organic Rankine cycle, na literatura Inglesa), pode ser utilizada sob a forma de energia mecânica, sendo transmitida directamente à cambota, ou sob a forma de energia eléctrica para accionamento de sistemas auxiliares ou para o carregamento da bateria. 5

22 1.2. Objectivos Por se tratar de uma temática recente, um dos objectivos deste estudo consiste em efectuar uma revisão bibliográfica aprofundada sobre o aproveitamento e recuperação de energia térmica contida nos gases de escape. Para além da revisão bibliográfica, o presente trabalho tem os seguintes objectivos: (i) Avaliar o potencial energético da energia térmica contida nos gases de escape; (ii) Desenvolver um modelo numérico (termodinâmico) que permita avaliar a recuperação de energia térmica através de um ciclo da Rankine em função das condições de operação do veículo; (iii) Dimensionar um permutador de calor (evaporador) para uma instalação de recuperação de energia térmica; (iv) Seleccionar o fluido de trabalho mais adequado para uma instalação de recuperação de energia térmica em veículos automóveis; (v) Analisar um caso de estudo baseado em componentes existentes (permutador de calor de EGR e condições de funcionamento termodinâmicas impostas pelo possível expansor da GreenTurbine); (vi) Quantificar a melhoria das eficiências térmicas e mecânicas Estrutura da dissertação A presente dissertação encontra-se organizada em 6 capítulos. Neste primeiro capítulo é feita uma breve introdução ao assunto em estudo, que inclui o enquadramento do tema e os objectivos do trabalho. O capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos e a revisão bibliográfica. No capítulo 3 é apresentado o modelo termodinâmico para simulação do RC. O capítulo 4 é dedicado à análise e discussão dos resultados obtidos. Finalmente, o capítulo 5 resume as principais conclusões resultantes do presente trabalho e elenca um conjunto de sugestões para trabalhos futuros. 6

23 Capítulo 2 2. Revisão bibliográfica 2.1. Introdução A presente revisão bibliográfica resume as contribuições mais significativas e necessárias ao desenvolvimento do presente trabalho. Este capítulo começa por apresentar os fundamentos teóricos, onde é feita uma breve introdução ao ciclo de Rankine e são apresentados os fluidos de trabalho. São também apresentados estudos antecedentes que, dentro do âmbito do presente trabalho, apresentaram contribuições significativas. De seguida são apresentados sucintamente alguns sistemas de recuperação de energia térmica em desenvolvimento por construtores e empresas ligadas ao ramo da indústria automóvel, dentro do âmbito do tema da presente dissertação. Os processos tecnológicos de co-geração e regeneração, com objectivo de aumentar o rendimento e eficiência térmica de equipamentos já existentes, tornaram possível o desenvolvimento de vários projectos nesta área de investigação Fundamentos teóricos Ciclo de Rankine Um dos grandes desígnios da engenharia é o estudo, aperfeiçoamento e dimensionamento de sistemas de conversão de energia. Dentro dos sistemas de conversão de energia existem sistemas geradores de potência, com capacidade para gerar potência (eléctrica ou mecânica) a partir de uma fonte de energia térmica (calor). Actualmente, as principais aplicações deste tipo de sistemas resumem-se a instalações de potência a vapor, instalações de potência a gás e MCI. 7

24 O RC, incluído nos sistemas de potência a vapor, é tratado como um dos ciclos termodinâmicos modelo quando o objectivo é a conversão de energia térmica, sob a forma de calor, em trabalho. A forma mais básica do RC consiste num circuito fechado com quatro componentes, uma bomba, um permutador de calor a funcionar como evaporador, uma turbina acoplada a um gerador e um outro permutador de calor a funcionar como condensador, isto sem esquecer o fluido de trabalho da instalação. A grande maioria das unidades geradoras de electricidade de elevada potência a operar actualmente, apesar de poderem ter algumas variações das instalações de potência a vapor, normalmente utilizam água, como fluido de trabalho, por recorrerem a fontes de calor com temperaturas relativamente elevadas. Ciclo de Rankine ideal Num RC ideal assume-se que o fluido de trabalho percorre os vários componentes do ciclo simples de potência a vapor sem irreversibilidades e quedas de pressão originadas pelo atrito nos permutadores de calor. Na ausência de irreversibilidades e trocas de calor com a envolvente, os processos através da bomba e da turbina assumem-se como processos isentrópicos. A figura 2.1 mostra esquematicamente um ciclo fechado de Rankine, podendo observar-se que o fluido de trabalho passa por uma série de processos consecutivos internamente reversíveis, nomeadamente: Processo 1-2 Compressão isentrópica do fluido de trabalho, no estado de líquido, na bomba até à pressão de evaporação, sempre na região de líquido comprimido. O trabalho específico de bombagem ideal é dada por: W p = h 2S h 1 (2.1) Processo 2-3 Permuta de calor (entre os gases de escape e o fluido de trabalho) a pressão constante, através do evaporador, até o fluido de trabalho atingir o estado de vapor saturado. O calor específico absorvido pelo fluido de trabalho é dado por: Q in = h 3 h 2s (2.2) Processo 3-4 Expansão isentrópica do fluido de trabalho através da turbina, sempre no estado de vapor saturado, até atingir a pressão de condensação. O trabalho específico extraído pela expansão é dada por: W T = h 3 h 4s (2.3) 8

25 Processo 4-1 Permuta de calor do fluido de trabalho, a pressão constante, através do condensador até ao estado de líquido saturado para completar o ciclo termodinâmico. O calor específico rejeitado pelo fluido de trabalho no processo de condensação é dado por: Q out = h 4S h 1 (2.4) As equações (2.1) a (2.4) são obtidas através da 1ª lei da termodinâmica. Na análise do ciclo ideal são negligenciadas as variações de energia cinética e de energia potencial uma vez que estas são usualmente muito menores que o trabalho e a transferência de energia. Qin Evaporador Turbina Wt Wp Bomba Condensador Qout Figura 2.1 Esquema de operação de um ciclo de Rankine A eficiência térmica do ciclo é dada pela razão entre o trabalho líquido produzido durante o ciclo e a transferência de calor para o fluido de trabalho no permutador de calor (evaporador): η teórico = W T W P Q in (2.5) Para garantir determinadas condições de eficiência ou de expansão pode haver necessidade de sobreaquecer o vapor (fluido de trabalho), quando a fonte de calor assim o permite, até à entrada do expansor. Fluido de trabalho O fluido de trabalho (gás ou liquido) de uma máquina ou ciclo termodinâmico permite efectuar as trocas de energia entre o sistema e o exterior. De uma forma geral, um sistema termodinâmico constitui uma fronteira através da qual podem ocorrer trocas de calor, sendo o fluido de trabalho a matéria contida no interior dessa fronteira que tem como função permitir a conversão de energia térmica noutra forma de energia. Assim, o fluido de trabalho é utilizado para desencadear trabalho útil, quando aplicado a uma turbina ou a outro componente de características expansivas. 9

26 Existem inúmeros fluidos de trabalho, os quais são classificados de acordo com as suas características termodinâmicas e físicas. Estas características são definidas pelas propriedades mais frequentemente requeridas na análise e projecto de sistemas termodinâmicos, nomeadamente: pressão, temperatura, entalpia, entropia, volume específico, energia interna e as propriedades de transporte. A selecção do fluido de trabalho depende de vários factores, incluindo a necessidade de se adaptar às temperaturas e pressões de serviço. Assim, esta escolha é um dos parâmetros de projecto mais importante, a qual afecta o dimensionamento dos demais componentes de um ciclo termodinâmico, uma vez que diferentes fluidos de trabalho podem ter características térmicas muito distintas. Ciclo de Rankine orgânico A utilização de fluidos orgânicos pode ser equacionada em tecnologias que envolvam fontes de calor com temperaturas relativamente baixas. Este tipo de ciclo utiliza um meio orgânico, em alternativa à água, que passa para o estado gasoso a temperaturas relativamente baixas. Os ORC podem usar diferentes fluidos de trabalho a fim de explorar fontes de calor de baixa qualidade para produzir trabalho útil pela maior facilidade de evaporação do fluido de trabalho a temperaturas relativamente baixas. Uma aplicação interessante, de enorme potencial, é a associação de ORC com motores térmicos para aproveitar o calor residual desperdiçado, produzindo assim uma unidade de potência combinada resultando num aumento da eficiência global do sistema existente. O uso da tecnologia de ORC tem-se mostrado também uma ferramenta muito eficaz para o aproveitamento do calor residual proveniente quer da queima de biomassa, quer da energia geotérmica ou da energia solar. A tecnologia de ORC está a ser desenvolvida cada vez mais para aplicações individuais de baixa temperatura, o que até agora não acontecia, tendo principalmente vindo a ser utilizada em processos de co-geração. A investigação e desenvolvimento nesta área dos fluidos de trabalho orgânicos tem tido por base o desenvolvimento nas tecnologias de refrigeração e não nas tecnologias de potência a vapor. De seguida é feita uma breve contextualização histórica dos fluidos orgânicos. Até por volta do ano de 1930 eram utilizados como fluidos de trabalho refrigerantes, principalmente o amoníaco, o butano, o propano e o dióxido de enxofre, entre outros. Contudo, tratando-se de substâncias tóxicas e, por vezes, explosivas, colocando assim vidas humanas em risco no caso de fugas, estas foram mais tarde substituídas pelos cloro-fluor-carbonetos, mais conhecidos por CFC s, excepto para algumas aplicações mais específicas, mas sempre com implementações e procedimentos exigentes a nível de segurança. 10

27 Os CFC's são compostos orgânicos cujas moléculas contêm carbono e flúor e, em muitos casos, outros halogéneos, principalmente cloro, encontrando-se no estado líquido ou gasoso, consoante a temperatura ambiente. São compostos incolores, sem cheiro, não são considerados tóxicos, não são inflamáveis e não são corrosivos. Alguns CFC's mais usados incluem: R11, R12, R22 e R502 (mistura de R22 com R115). Desde a sua criação, os CFC s foram libertados para atmosfera sem grandes preocupações uma vez que eram considerados gases seguros e estáveis. Mas na década de 1970 foi descoberto que estes compostos causavam a destruição da camada de ozono quando libertados para a atmosfera. Estabeleceram-se então acordos para eliminar, de forma progressiva, o uso desses produtos, tendo sido desenvolvidos, para serem usados numa fase de transição, os hidro-cloro-flúor-carbonetos (HCFC's), compostos à base de hidrogénio, cloro, flúor e carbono, que danificam muito menos a camada de ozono. Alguns dos HCFC's mais usados são o R123 e o R122. Actualmente, são usadas como fluidos refrigerantes, principalmente, misturas binárias de CFC's com HFC's (hidro-flúor-carbonetos) ou com HCFC's. A retirada completa dos CFC's do mercado está prevista para esta década e a retirada dos HCFC's para O objectivo final é manter apenas os HFC's, compostos de hidrogénio, flúor e carbono, que não causam danos na camada de ozono. Alguns dos HFC's mais usados são o R134a e o R245fa. 11

28 2.3. Estudos antecedentes Recuperação da energia térmica contida nos gases de escape O interesse na recuperação de energia térmica proveniente de gases de escape, geralmente não considerada por ser uma fonte de energia de baixa qualidade, tem crescido consideravelmente nas últimas décadas. Um número importante de propostas para novas soluções de geração de energia, que utilizam fontes de calor de baixa temperatura, são actualmente aplicados a áreas tão diversificadas como a energia térmica solar, geotérmica, calor de resíduos industriais, caldeiras domésticas e gases de escape de MCI, sendo este o objecto de estudo do presente trabalho. O potencial para exploração de fontes de calor residual dos gases de escape de processos industriais e de MCI tem-se revelado particularmente promissor (Wang et al., 2011). Nesse sentido, têm surgido recentemente diversos estudos no âmbito da recuperação da energia térmica contida nos gases de escape através da instalação de sistemas termodinâmicos complementares de potência a vapor, ver, por exemplo, Sun e Li (2011). Entre as soluções propostas, a aplicação de sistemas de potência a vapor, através de um ORC, são as mais utilizadas. Neste caso, o fluido de trabalho utilizado é uma substância orgânica, que se adapta melhor do que a água a fontes de calor de menor qualidade (baixa temperatura) (Quoilin et al., 2011) Recuperação da energia contida nos gases de escape de motores de combustão interna Até há relativamente pouco tempo, numa altura em que existia uma grande disponibilidade de combustível a um preço relativamente reduzido, os MCI eram optimizados para elevado desempenho. Nas últimas três décadas os MCI foram também optimizados para garantir baixos níveis de emissões. No entanto, nos últimos anos, com o aumento dos preços dos combustíveis e as preocupações de sustentabilidade, a eficiência dos MCI têm assumido maior importância. Desde a sua invenção, há cerca de 150 anos, os MCI têm sofrido grandes alterações numa perspectiva de melhoria gradual da sua eficiência energética e de redução das emissões de poluentes. Para ilustrar estes factos, refira-se que o rendimento efectivo, em motores de ignição por faísca (gasolina) a operar em condições normais de estrada, é aproximadamente 30%, enquanto em grandes motores, por exemplo, locomotivas, esse valor pode chegar até cerca de 41% (Srinivasan et al., 2010). 12

29 Dada a necessidade de continuar o processo de descarbonização das emissões de poluentes em veículos automóveis tem existido um grande interesse no desenvolvimento de equipamentos mais eficientes. Numa época em que para se obterem pequenos aumentos da eficiência global dum MCI são exigidos investimentos bastante avultados, isto significa que os desenvolvimentos têm de ir além das tecnologias convencionais, e que actualmente consistem apenas no aproveitamento da componente cinética dos gases de escape, através de turbo-compressores. No sentido de abranger o aproveitamento da componente térmica dos gases de escape, os desenvolvimentos mais recentes na indústria automóvel têm-se concentrado na integração dos sistemas de aproveitamento da energia térmica contida em gases de escape em veículos híbridos (Quoilin et al., 2011). Num estudo realizado por Wang et al. (2011), os autores estimaram que para um motor rodoviário a gasolina de 2 litros de cilindrada, cerca de 21% da energia contida pelo combustível é desperdiçada pelo escape em regime intermédio de carga e velocidade, mas esse valor pode aumentar até 44% no regime de potência máxima. Considerando valores médios, cerca de 1/3 da energia gerada a partir do combustível é desperdiçada através dos gases de escape. As estimativas actuais de potência calorífica de escape em MCI de veículos rodoviários ligeiros variam de 20 kw a 400 kw, dependendo do tamanho do motor e da condição carga/velocidade (Hendricks et al., 2002). Após o sistema de tratamento de gases de escape de veículos automóveis ligeiros os gases podem atingir temperaturas de 500 C até 900 C, todavia numa utilização normal a temperatura situa-se entre 600 C e 700 C, sendo que as temperaturas dos gases de escape para veículos pesados variam de 500 C a 650 C. Estes valores podem ainda ser aumentados devido às regenerações periódicas do filtro de partículas no caso de motores Diesel ou outros dispositivos de pós-tratamento de gases de escape. Face ao exposto, verifica-se que os gases de escape oferecem um elevado potencial para recuperação de energia (Hendricks et al., 2002). Segundo Vazaquez et al. (2002), a conversão do calor de escape em potência útil não traz apenas vantagens consideráveis para uma diminuição do consumo de combustível, ela pode também ampliar a potência do motor e, em simultâneo, reduzir as emissões de CO 2 e outros poluentes nocivos. Estes autores estimaram que, se apenas 6% do calor contido nos gases de escape fosse recuperado e convertido em energia eléctrica, tal poderia significar uma redução do consumo de combustível em aproximadamente 10%, devido à diminuição nas perdas mecânicas da resistência da unidade do alternador ou de outros equipamentos auxiliares. 13

30 Weerasinghe et al. (2010) afirmam que nos últimos anos os sistemas turbocompounding (sistema de aproveitamento da energia cinética dos gases de escape que pode ser directamente acoplado à cambota de um MCI) têm sido desenvolvidos. No entanto, inúmeras desvantagens relacionadas com as perdas por bombagem, directamente relacionadas com a eficiência do motor, têm retirado potencial à implementação desta tecnologia. Weerasinghe et al. (2010), criaram um modelo de simulação numérica para compararem a potência e economia de combustível entre sistemas de recuperação da energia térmica utilizando um RC e um sistema turbo-compounding. Os resultados revelam que o sistema de RC apresenta ganhos na ordem dos 20% (economia de combustível) relativamente ao sistema turbo-compounding. Weerasinghe et al. (2010) afirmam também que um sistema utilizando um RC tem a capacidade de armazenamento de calor num reservatório de vapor que pode funcionar como buffer energético, esta vantagem dos RC é extremamente importante pois favorece a utilização dos sistemas de RC em detrimento de outros sistemas de recuperação de energia térmica dos gases de escape Aplicações do ciclo de Rankine em veículos automóveis Aplicações baseadas no RC para recuperação da energia térmica contida nos gases de escape em veículos, foram inicialmente investigadas durante a grande crise energética, na década de 70. Nesta fase, as aplicações estavam principalmente focadas em veículos pesados, onde vários construtores, como a Mack Trucks, chegaram a criar protótipos com alguns resultados significativos (Doyle e Patel, 1976). Depois disso, baseando-se no trabalho da Thermo Electron Corporation, Heywood (1981), citado em Quoilin e Lemort (2009), previu que um sistema de aproveitamento de gases de escape baseado num RC podia gerar uma redução no consumo de combustível entre 10 e 15% em motores Diesel. Apesar desses resultados, só mais recentemente se intensificaram os trabalhos de investigação de aplicações do RC à indústria automóvel. De entre os trabalhos mais recentes, destacam-se o trabalho de Chammas e Clodic (2005), que combinam uma aplicação do RC numa tecnologia híbrida existente. Deste modo, toda a energia gerada pelo ciclo termodinâmico é aplicada directamente no sistema eléctrico do veículo híbrido. O evaporador foi instalado na linha de escape após o conversor catalítico para evitar os efeitos negativos no desempenho do tratamento dos gases de escape. A energia eléctrica produzida pelo grupo turbina e gerador é aplicada directamente no carregamento das baterias do veículo. Desta forma, foram alcançadas melhorias significativas na economia de combustível, podendo reduzir o consumo de combustível até 24,7% numa condição de baixa carga, sendo que com o aumento da carga aplicada ao MCI e da velocidade de rotação, a economia percentual de 14

31 combustível apresenta uma tendência de aumento. No ponto de carga máxima, os autores afirmam que a redução de consumo de combustível poderá atingir 32%. A Tabela 2.1 mostra um resumo dos resultados obtidos para uma condição de 1/4 de carga a 1500 rpm. Tabela 2.1 Resultados obtidos por Chammas e Clodic (2005). Sem EHR a LPSRC b HPSRC c ORC d Eficiência de conversão do motor 19,0% 18,8% 18,8% 18,8% Potência eléctrica gerada - 1,30% 2,0% 4,90% Perdas no gerador - 0,30% 0,40% 0,90% Economia de combustível - 5,8% 9,5% 24,7% a Motor 1.4 litros a gasolina, sem sistema de recuperação de energia térmica b Ciclo de Rankine a vapor de baixa pressão c Ciclo de Rankine a vapor de alta pressão d Ciclo orgânico de Rankine (isopentano ou R-245 ca) Yamada e Mohamad (2010) propuseram um sistema de recuperação de energia térmica contida nos gases de escape de MCI a hidrogénio, onde os dois componentes dos produtos de combustão completa, se o motor estiver a operar em condições estequiométricas (λ = 1), são vapor de água (H 2 O) e azoto/nitrogénio (N 2 ). Os gases de escape passam por um separador, pós permutador, que desagrega o vapor de água dos gases de escape, passando a água a ser o fluido de trabalho de um ciclo aberto de um sistema de geração de energia baseado num RC, enquanto o calor residual de escape é usado para o sobreaquecimento do fluido. Outra consideração interessante deste trabalho, é a comparação entre um sistema sem condensador, que utiliza apenas o vapor de água contido nos gases de escape como fluido de trabalho, e um sistema com condensador e um ventilador eléctrico, passando assim a poder alimentar o separador com uma maior quantidade de água, como mostra a figura 2.2. Figura 2.2 Representação esquemática da instalação de Yamada e Mohamad (2010) com e sem condensador. A opção sem condensador foi assumida como uma escolha com melhor relação custobenefício relativamente a opção com condensador, apesar desta ultima mostrar uma eficiência 15

32 térmica ligeiramente superior. Os resultados experimentais do sistema combinado apresentam um aumento de eficiência térmica global entre 2,9% e 3,7% numa gama de velocidade de rotação do motor entre 1500 e 4500 rpm. Vaja e Gambarotta (2010), para além de um RC simples, estudaram a influência da instalação e combinação de um permutador de calor com o evaporador principal para préaquecimento do fluido de trabalho, mas para dois sistemas diferentes, como mostra a figura 2.3. Figura 2.3 Esquema das instalações de recuperação de calor de Vaja e Gambarotta (2010) com (a) pré-aquecedor e (b) recuperador. O primeiro sistema proposto, representado na figura 2.3 a), consiste na instalação de um pré-aquecedor que utiliza a energia térmica fornecida pelo sistema de refrigeração do motor, enquanto o permutador principal (evaporador) é suportado pela energia térmica disponível nos gases de escape. O segundo sistema, representado na figura 2.3 b), consiste num pré-aquecedor/ recuperador que permite que o fluido de trabalho no estado líquido seja aquecido pelo vapor depois da expansão. A Tabela 2.2 apresenta um resumo das eficiências combinadas obtidas por Vaja e Gambarotta (2010). Devido à relativa simplicidade dos componentes, os autores seleccionaram a solução com pré-aquecedor (ver figura 2.3 a). Tabela 2.2 Resumo das eficiências combinadas obtidas por Vaja e Gambarotta (2010). Ciclo simples Com pré-aquecedor Com Recuperador η cc 0,466 0,471 0,471 (η cc η e ) ηe 0,114 0,126 0,128 Srinivasan et al. (2010) analisaram o potencial de recuperação térmica dos gases de escape de um motor estático mono-cilíndrico a 4 tempos de alta eficiência, bi-combustível (Diesel e gás natural) e com uma combustão de baixa temperatura através da instalação de um 16