Modelação de Ciclos Orgânicos de Rankine utilizando o calor do escape de veículos em condições reais de circulação

Abstract

No panorama energético actual, fortemente dependente dos combustíveis fósseis, nomeadamente do petróleo e cuja disponibilidade é finita, aliado à instabilidade político-económica mundial e às limitações cada vez mais restritivas das emissões gasosas, surge a necessidade premente de desenvolvimento de um modelo energético mais sustentável. O sector automóvel é um ávido consumidor de derivados do petróleo, devido à utilização maioritária de veículos equipados com motor de combustão interna (MCI), cujo baixo rendimento, faz dele um dos principais alvos neste contexto. De facto, apenas cerca de 1/3 da energia química contida no combustível é convertida em energia mecânica [1], sendo o restante desperdiçado sob a forma de calor. O aproveitamento do calor residual torna-se portanto crucial para a optimização energética do MCI. De entre os fluxos de calor residual dum MCI, o que tem maior potencial de aproveitamento é o dos gases de escape, devido à sua maior temperatura (maior exergia), resultando num maior ganho teórico de rendimento [2]. Uma das tecnologias mais promissoras no aproveitamento do calor residual é o ciclo orgânico de Rankine (ORC). Esta tecnologia apresenta bastantes semelhanças com um sistema de refrigeração por compressão de vapor, nomeadamente no que se refere ao fluido de trabalho e aos principais componentes. Neste contexto, a reconversão de componentes AVAC para implementação em sistemas ORC de aproveitamento de calor residual do MCI, apresenta-se como uma hipótese a considerar. No presente trabalho, foi analisada a possibilidade de implementação de um destes sistemas, tendo sido adoptada uma perspectiva o mais realista possível, visando avaliar o comportamento do veículo em condições reais de funcionamento, equipado com um motor a ignição comandada de 1.6L. Esta abordagem denominada de “wheel-to-exhaust”, consiste no cruzamento de três modelos distintos, dois deles já existentes; um modelo de ciclos de condução, que analisa os fluxos energéticos do veículo em percursos reais, incluindo declives e sinusidade; um modelo do MCI para análise do seu desempenho; um modelo do ORC que utiliza os dados cruzados entre os modelos anteriores para análise dos parâmetros relativos ao fluxo de gases de escape em situações reais de funcionamento do veículo. Para o cruzamento de dados foram utilizadas algumas estratégias inovadoras, destacando-se a determinação das marchas engrenadas no veículo em função das condições dinâmicas do percurso.

The current energy model, with a resilient dependency on fossil fuels, especially on oil with its restrictive and finite availability, coupled with global political and economic instabilities and increasingly restrictive regulations on gaseous emissions, lead to the urgent need for a more sustainable energy paradigm. The automotive sector is an eager consumer of oil derivatives, due to the generalized use of the internal combustion engine (ICE), whose low efficiency makes it a prime target in this context. (As a matter of fact). Only about 1/3 of the fuel’s chemical energy is converted into mechanical power [1], with the remainder mostly wasted as heat. The engine waste heat recovery becomes crucial to its optimization. Among the various ICE’s waste heat flows, the one with the greatest potential is the exhaust stream due to its higher temperature (higher exergy), resulting in a theoretically higher efficiency gain [2]. One of the most promising technologies is the organic Rankine cycle (ORC). This technology has many similarities to a refrigeration vapor compression system, regarding the working fluid and the system’s main components, making the conversion of HVAC components an option (to be taken into account) in the design of wate heat recovery systems for ICEs. The present work analyses the possibility of implementing such a system, by adopting a more realistic approach to evaluate the vehicle’s performance in real operating conditions, coupled with a 1.6L spark-ignition ICE. This approach, named the "wheel-toexhaust", consists in the interconnection of three distinct models, two of them already existing; a drivingcycle’s model, which analyzes the vehicle’s energy flows in real road conditions, including the influence of altitude an lateral acceleration; an ICE’s model for the analysis of its performance; an ORC model which uses data crossing between the two previous models in the analysis of the exhaust stream parameters in real road conditions. Some innovative strategies were used in the data crossing, with prominence to the gear-shifting algorithm used in the vehicle simulations, in-accordance to the dynamic conditions of the road.