Recuperação de Calor Residual em Motores Diesel GE 7FDL com Foco em Eficiência Energética de Locomotivas Utilizando Ciclo Rankine Orgânico (ORC)

Nome: RONDINELLI DOS SANTOS JUVENCIO
Tipo: Dissertação de mestrado profissional
Data de publicação: 24/03/2023
Orientador:

Nomeordem crescente Papel
CARLA CESAR MARTINS CUNHA Orientador

Banca:

Nomeordem crescente Papel
JOSÉ JOAQUIM CONCEIÇÃO SOARES SANTOS Coorientador
JOSÉ CARLOS ESCOBAR PALACIO Examinador Externo
EDNILSON SILVA FELIPE Examinador Interno
CARLA CESAR MARTINS CUNHA Orientador
ALEXANDRE PERSUHN MORAWSKI Examinador Externo

Resumo: O 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.

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