Trabalho de Termodinâmica

Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis Projeto de Melhoria de Eficiência Energética de Motor Este projeto tem como objetivo permitir o acesso ao exame final das disciplinas de termodinâmica FA342 e FA 375 ministradas para a engenharia agrícola O projeto deverá ser entregue individualmente até dia 18 de junho de 2025 impreterivelmente Tratase de um projeto longo e complexo de maneira que deverá ser iniciado o quanto antes A nota desse projeto compreenderá 30 da nota final caso o aluno necessite da realização de exame final para aprovação A nota desse projeto não compõe o cômputo da média caso o aluno obtenha média parcial suficiente MP 60 1 Contexto Motores de combustão interna possuem limitações na eficiência térmica dissipando grande parte da energia na forma de calor pelos gases de exaustão e pelo sistema de refrigeração A recuperação desse calor residual por meio de ciclos de potência adicionais pode melhorar a eficiência global do sistema permitindo que parte da energia perdida possa ser recuperada Este trabalho propõe a análise de um motor Diesel com dois ciclos Rankine integrados para a recuperação energética avaliando o impacto dessa modificação na eficiência do sistema e sua viabilidade técnica O PID Piping and instrumentation diagram fluxograma de processo está representado pela Figura 1 Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis Figura 1 PID do sistema de recuperação energética do motor ciclo Diesel A Tabela 1 abaixo discrimina os equipamentos apresentados no diagrama representado pela Figura 1 relacionando com a função no sistema Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis Tabela 1 Equipamentos e máquinas térmicas para recuperação energética do motor ciclo Diesel Denominação Equipamento Função A Trocador de calor Superaquecer vapor a alta temperatura B Turbina expansora Gerar trabalho de eixo a alta temperatura C Trocador de calor Gerar vapor a baixa temperatura Condensar vapor a alta temperatura D Trocador de calor Superaquecer a baixa temperatura Gerar vapor a alta temperatura E Turbina expansora Gerar trabalho de eixo a baixa temperatura F Condensador radiador Condensar vapor a baixa temperatura G Trocador de calor Gerar vapor a baixa temperatura 2 Projeto Modelar e avaliar um sistema de recuperação de energia térmica aplicado a um motor Diesel de 500 a 600 HP O estudo abordará a especificação dos fluídos de trabalho a determinação das propriedades termodinâmicas nos pontos do ciclo a modelagem do sistema em planilhas eletrônicas e a análise exergética do processo Esperase verificar se é possível recuperar pelo menos 10 da potência do motor por meio da recuperação de calor residual 3 Roteiro de Trabalho e Metodologia A metodologia deste trabalho será baseada na análise termodinâmica e exergética do sistema de recuperação de calor aplicado a um motor Diesel agrícola Inicialmente deverão ser pesquisados e coletados dados técnicos do motor e dos fluídos de trabalho para os ciclos de Rankine Em seguida deverão ser determinadas as propriedades termodinâmicas nos pontos de cada ciclo sendo que o sistema deverá ser modelado em uma planilha eletrônica para calcular a potência recuperada e a eficiência térmica Além disso será realizada uma análise exergética para quantificar as irreversibilidades do processo Diferentes cenários deverão ser comparados para avaliar a viabilidade técnica do sistema culminando em um parecer técnico sobre sua aplicação industrial Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis A lista abaixo sugere um roteiro para a condução do trabalho proposto Outra sugestão importante é a elaboração de um cronograma para que o trabalho seja dividido ao longo do semestre facilitando o desenvolvimento do projeto a Pesquisa Inicial e Coleta de Dados a1 Compreender a funcionalidade da tecnologia proposta a2 Identificar as correntes e os dados necessários para iniciar a abordagem do desenvolvimento a3 Levantar dados necessários sobre motores Diesel agrícolas de 500 a 600 HP a4 Obter parâmetros de exaustão e refrigeração típicos desses motores a5 Identificar perdas térmicas e estimar a quantidade de calor disponível para recuperação b Definição dos Fluídos de Trabalho b1 Avaliar ao menos cinco diferentes opções de fluídos para os ciclos de Rankine de alta e baixa temperatura ex água amônia tolueno R245fa b2 Comparar propriedades termodinâmicas e adequação ao sistema b3 Escolher três fluidos para comparação nas simulações justificando as escolhas com base em eficiência estabilidade térmica e viabilidade técnica c Determinação das Propriedades Termodinâmicas c1 Identificar os estados termodinâmicos nos pontos do ciclo pressão temperatura entalpia e entropia c2 Utilizar tabelas de vapor ou software de propriedades termodinâmicas c3 Aplicar as equações do ciclo Rankine para calcular variações de energia d Modelagem do Sistema em Planilha Eletrônica d1 Criar um modelo computacional para simular o desempenho do sistema d2 Determinar a potência recuperada nos ciclos de Rankine d3 Avaliar a eficiência térmica do sistema combinado e Análise Exergética e1 Identificar e quantificar as irreversibilidades do sistema e2 Comparar a eficiência exergética antes e depois da recuperação de calor e3 Apontar oportunidades de otimização do processo f Comparação de Cenários Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis f1 Testar diferentes combinações de fluídos de trabalho e condições operacionais f2 Comparar os cenários em termos de potência recuperada eficiência térmica e impacto na operação do motor f3 Elaborar gráficos e tabelas comparativas g Discussão e Parecer Técnico g1 Analisar os resultados obtidos e discutir a viabilidade do sistema g2 Identificar desafios técnicos e econômicos da implementação g3 Sugerir recomendações para possíveis aplicações industriais Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis 4 Formato de Relatório e Entrega Final Após finalizado o trabalho deverá ser entregue em um conjunto por meio da plataforma google classroom compreendendo os seguintes volumes a Relatório Técnico b Planilha Eletrônica Comentada c Apêndices O relatório técnico deverá ser apresentado adequadamente de maneira clara e impecável e conter os seguintes itens a Capa Identificação geral do trabalho nome do autor do relatório e outras informações de apresentação b Introdução Contextualização do problema e objetivo do trabalho c Premissas de Projeto Dados de entrada suposições e fontes utilizadas d Seleção dos Fluídos Comparação e justificativa das escolhas e Modelagem e Memorial de Cálculos Apresentação dos estados termodinâmicos premissas adotadas e detalhamento de todas as equações utilizadas f Análise Exergética Identificação das perdas e eficiência exergética g Comparação de Cenários Avaliação dos diferentes testes realizados h Discussão e Conclusão Parecer técnico fundamentado sobre a adoção do sistema i Referências Bibliográficas Fontes utilizadas para fundamentação teórica e obtenção de dados A planilha eletrônica desenvolvida deverá ser entregue no conjunto de documentos de maneira que se possa verificar como os cálculos foram realizados Cada simulação deverá estar detalhada em abas diferentes de maneira que a compreensão do processo fique clara Cada cálculo deverá estar adequadamente comentado na planilha fazendo referência ao memorial de cálculo utilizado O apêndice deverá ser a compilação de todas as tabelas e dados termodinâmicos obtidos dos fabricantes de tratores e de fluídos utilizados no trabalho devidamente organizados Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis 5 Critério de avaliação O trabalho será avaliado de acordo com os critérios estabelecidos na Tabela 2 A criatividade e inovação na solução serão estimuladas ou seja alterações no fluxograma proposto e no projeto que possam conduzir à um resultado positivo serão devidamente consideradas e premiadas Tabela 2 Critérios de avaliação do projeto Critério Peso Clareza na apresentação 15 Adequação da escolha dos fluídos de trabalho 10 Cálculos termodinâmicos e exergéticos 30 Qualidade da modelagem no Excel 20 Análise crítica e viabilidade do sistema 10 Criatividade e inovação na solução 15 Universidade de Campinas UNICAMP Faculdade de Engenharia Agrícola FEAGRI Nome Completo do alunoa RELATÓRIO TÉCNICO FA342FA375 Termodinâmica Projeto Final Primeiro Semestre 2025 Prof Dr Gustavo Mockaitis Campinas SP 2025 CORPORATE SOCIAL RESPONSIBILITY POLICY Introduction Every organisation must live within its means and accept an equal share of societys responsibilities To be socially responsible means not only to comply with all statutory requirements economical legal ethical and discretionary but also to integrate social and environment concerns in operations The purpose of this policy is to establish guidelines for the promotion of corporate social responsibility within the company and within the business relationships with suppliers Company policy We regard corporate social responsibility as the basis for long term success Social responsibility is being more transparent and accountable when it comes to the decisions that affect the community we depend on It is the fundamental nature of our relationship with the world We believe that it is the ethically right thing to do and that it will improve risk management increase customer loyalty and enable investors to make informed decisions The policy applies to all employees as well as contractual parties working for the company What we expect from our suppliers To apply the principles of social responsibility the company expects all suppliers to have defined procedures and measures to ensure compliance to the following principles Compliance with local national and international laws and regulations Ethical business practices Compliance with applicable environmental laws and regulations Commitment to human rights EHS Environment Health and Safety management Fair employment practices Management systems that support Corporate Social Responsibility Stakeholders engagement Stakeholders can expect the company to actively engage with the community through social development employee volunteering support and sponsorship References Ethical Trading Initiative Ethical Trading Initiative Base Code UN Sustainable Development Goals Global Compact For the company Managing Director January 2019 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO4 2 PREMISSAS DE PROJETO7 3 SELEÇÃO DOS FLUIDOS11 31 Comparação Inicial Fluidos Potenciais11 32 Fluidos escolhidos para simulações12 4 MODELAGEM E MEMORIAL DE CÁLCULOS13 41 Premissas Gerais13 42 Cálculo da Energia Térmica Rejeitada13 43 Estrutura Termodinâmica Ciclo Rankine Modificado13 44 Estados Termodinâmicos14 45 Equações Utilizadas14 1 Cálculo da vazão mássica do fluido de trabalho14 2 Trabalho gerado pela turbina14 3 Trabalho consumido pela bomba15 4 Eficiência térmica do ciclo Rankine ideal15 5 Potência líquida recuperada15 6 Eficiência global do sistema de recuperação com perdas15 46 Modelagem para Diferentes Fluidos15 47 Conclusão da Modelagem16 5 ANÁLISE EXERGÉTICA16 51 Cálculo da exergia física dos pontos do ciclo Rankine17 52 Exergia de entrada no sistema18 53 Exergia útil recuperada18 54 Eficiência exergética do sistema18 55 Distribuição das perdas exergéticas19 56 Considerações finais19 6 COMPARAÇÃO DE CENÁRIOS20 7 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO23 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS25 1 INTRODUÇÃO Iniciar este trabalho cujo tema gira em torno da eficiência energética de motores Diesel agrícolas exige reconhecer em primeira instância a relevância da termodinâmica como alicerce da engenharia A disciplina de Termodinâmica ofertada na Faculdade de Engenharia Agrícola da UNICAMP visa fornecer aos estudantes as ferramentas conceituais necessárias para a análise energética de sistemas térmicos complexos como os encontrados em motores de combustão interna com destaque para os desafios relacionados à dissipação de calor Motores Diesel amplamente utilizados no setor agrícola para tração bombeamento e geração de energia são conhecidos por sua robustez mas também por sua baixa eficiência térmica Estimase que apenas 35 a 40 da energia química do combustível seja convertida em trabalho mecânico útil enquanto o restante é perdido majoritariamente na forma de calor pelos sistemas de exaustão e de arrefecimento Deshmukh et al 2021 Nesse contexto a recuperação do calor residual desses motores por meio de tecnologias termodinâmicas apropriadas surge como uma solução promissora para aumentar a eficiência global dos sistemas Dentre essas tecnologias destacamse os ciclos Rankine e seus derivados como os ciclos orgânicos Rankine ORC que se aproveitam de fontes de calor de baixa ou média temperatura para gerar trabalho adicional Sprouse 2024 Nos últimos anos os ciclos Rankine vêm sendo amplamente estudados em aplicações móveis e estacionárias especialmente em veículos pesados e usinas térmicas com resultados positivos em termos de desempenho energético Entre 2013 e 2023 diversas configurações de ORC como ciclos supercríticos trilaterais e duplos demonstraram potencial para incrementar a eficiência de motores de combustão interna Sprouse 2024 No setor agrícola motores de grande porte com potências na faixa de 500 a 600 HP apresentam significativa quantidade de calor passível de recuperação Estudos como o de Deshmukh et al 2021 indicam que a utilização de um sistema de recuperação por duplo ciclo Rankine DORC pode permitir a recuperação de até 113 da potência do motor reduzindo o consumo específico de combustível e as emissões de poluentes Tais sistemas geralmente operam com dois ciclos Rankine acoplados em série ou em paralelo um de alta temperatura aproveitando os gases de exaustão acima de 200 C e outro de baixa temperatura extraindo calor do sistema de arrefecimento entre 90 C e 120 C Essa abordagem de dois níveis permite maximizar a extração de energia térmica e consequentemente a geração de potência adicional Ng et al 2024 Ng et al 2024 demonstraram por exemplo que a integração de um sistema Rankine a um gerador Diesel de 11 MW possibilitou a geração adicional de 131 kW cerca de 12 com tempo de retorno do investimento estimado em 48 anos Esses dados evidenciam a viabilidade técnicoeconômica da recuperação de calor em motores Diesel de grande porte como os utilizados no setor agroindustrial brasileiro Adicionalmente Li Nguyen e He 2020 analisaram motores marítimos equipados com sistemas ORC e observaram aumento da eficiência global sem prejuízo ao desempenho do motor ou aumento significativo nas emissões Esses resultados reforçam a aplicabilidade desses sistemas em contextos variados inclusive na agricultura mecanizada A seleção do fluido de trabalho é um fator crucial para o desempenho do ciclo Rankine Estudos recentes apontam que substâncias como o etanol o pentano e o fluido R1233zdE oferecem bom equilíbrio entre pressão de operação estabilidade térmica e impacto ambiental Amicabile et al 2011 Zhang et al 2021 No contexto dos motores agrícolas a aplicação prática de ciclos Rankine exige a coleta precisa de dados operacionais do motor como temperaturas e vazões de exaustão e do líquido de arrefecimento Essas informações alimentam modelos termodinâmicos e computacionais que permitem a simulação e análise do comportamento do sistema de recuperação de calor sob diferentes condições operacionais Li et al 2020 As análises energéticas tradicionalmente utilizadas são complementadas por abordagens exergéticas que permitem quantificar as irreversibilidades internas do sistema Segundo Deshmukh et al 2021 a eficiência exergética de sistemas DORC pode atingir até 46 valor significativamente superior à eficiência de sistemas sem recuperação térmica Além disso o dimensionamento adequado dos trocadores de calor como evaporadores condensadores e regeneradores influencia diretamente na eficiência do sistema de recuperação Zhang et al 2021 ressaltam que o uso de geometrias otimizadas e materiais com alta condutividade térmica pode melhorar a transferência de calor e reduzir perdas de carga que poderiam comprometer o funcionamento do motor Ao modelar o sistema proposto fazse necessário utilizar ferramentas computacionais adequadas para a obtenção das propriedades termodinâmicas dos fluidos bem como planilhas eletrônicas desenvolvidas para calcular o balanço de energia em cada componente do ciclo A presente proposta tem como objetivo modelar e analisar um sistema de recuperação de calor para um motor Diesel agrícola por meio de dois ciclos Rankine integrados com vistas à recuperação mínima de 10 da potência térmica dissipada conforme os parâmetros médios encontrados na literatura técnica recente A metodologia adotada compreende a definição do ciclo termodinâmico seleção do fluido de trabalho dimensionamento dos componentes e simulação energética e exergética com base nos dados técnicos do motor utilizado Ao final será realizada uma análise econômica preliminar com foco na viabilidade da implantação em ambiente agrícola real Tratase de um projeto com forte apelo de sustentabilidade pois visa à redução do consumo de combustível fóssil aumento da eficiência energética e por conseguinte diminuição da emissão de gases de efeito estufa A relevância acadêmica e técnica está diretamente ligada à formação dos engenheiros agrícolas frente aos desafios contemporâneos da descarbonização da economia rural O desenvolvimento deste projeto contribui também para o avanço das pesquisas em termodinâmica aplicada na UNICAMP fortalecendo o vínculo entre teoria e prática além de fomentar a formação de profissionais capacitados a implementar soluções reais de otimização energética no campo 2 PREMISSAS DE PROJETO Para o desenvolvimento da análise termodinâmica do sistema de recuperação de calor residual em motores Diesel estabeleceuse como premissa inicial a utilização do motor Scania DC13085A com potência nominal de 368 kW 500 HP a 1800 rpm Este motor de seis cilindros em linha com 127 litros de cilindrada e turboalimentação é amplamente empregado em aplicações agrícolas e de transporte pesado apresentando robustez e confiabilidade compatíveis com o porte do projeto proposto As características técnicas foram obtidas a partir de documentação oficial da fabricante SCANIA 2024 De acordo com dados de operação do motor estimase que aproximadamente 30 a 35 da energia térmica contida no combustível seja dissipada pelos gases de exaustão enquanto cerca de 25 seja transferida ao sistema de arrefecimento o que representa uma oportunidade significativa de recuperação de energia HEYWOOD 1988 Assim optouse por desenvolver um sistema baseado em dois ciclos Rankine sendo um de alta e outro de baixa temperatura acoplados ao motor principal A recuperação de pelo menos 10 da potência total do motor é o objetivo mínimo estabelecido como critério de viabilidade do sistema As temperaturas típicas dos gases de exaustão na saída do turbocompressor atingem cerca de 420 C valor compatível com a faixa operacional de trocadores de calor industriais de alta performance Já o fluido do sistema de arrefecimento opera geralmente entre 85 C e 95 C possibilitando a extração de calor para o ciclo Rankine de baixa temperatura Esses dados foram extraídos de publicações técnicas e manuais da própria Scania e de literatura especializada em motores de combustão interna WISCHNEWSKI et al 2020 SCANIA 2024 Tabela 1 Equipamentos e máquinas térmicas para recuperação energética do motor ciclo Diesel Equipamento Função Trocador de calor Superaquecer vapor a alta temperatura Turbina expansora Gerar trabalho de eixo a alta temperatura Trocador de calor Gerar vapor a baixa temperatura Condensar vapor a alta temperatura Equipamento Função Trocador de calor Superaquecer a baixa temperatura Gerar vapor a alta temperatura Turbina expansora Gerar trabalho de eixo a baixa temperatura Condensador radiador Condensar vapor a baixa temperatura Trocador de calor Gerar vapor a baixa temperatura Fonte O autor 2025 Quadro 1 Resumo das Especificações Componente Tipo Modelo Especificações principais Motor Diesel Scania DC13 500600 HP torque de 18502600 Nm turbo intercooler Common Rail gestão Trocador shell plate Shell Plate Temp até 400 C pressão até 100 bar alumínio aço inox aplicação em condensadorsuperaquecedor Condensador industrial Sterling TT Personalizado p condensar vapor versões arlíquido Trocador compacto American Industrial ACA Até 204 C 10 bar baixa perda de carga Turbina Expansora Conforme Fabricante Conforme Fabricante Fonte O autor 2025 Para o dimensionamento do sistema foram levadas em consideração as seguintes informações Potência térmica do combustível baseada no poder calorífico inferior do diesel PCI 42700 kJkg Rendimento térmico do motor estimado em 40 segundo padrões industriais para motores Diesel de grande porte HEYWOOD 1988 Temperaturas e pressões operacionais dos ciclos Rankine com base em faixas típicas para sistemas de cogeração e ORC Organic Rankine Cycle de modo a compatibilizar os materiais dos trocadores de calor com os limites térmicos dos fluidos escolhidos Condições ambientais padrão de 25 C e 1 atm para cálculo de entalpia dos pontos de entrada e saída do sistema conforme recomendações da ASME AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS 2021 Estimativa de perdas por atrito e dissipação de até 10 da energia recuperada durante o processo de conversão Os dados técnicos do motor Scania DC13085A e suas curvas de operação foram utilizados como base para definição das entradas no modelo termodinâmico construído em planilha eletrônica Essas premissas garantem coerência entre as condições reais de operação e as hipóteses utilizadas nos cálculos permitindo que os resultados obtidos possam ser utilizados para estimativas preliminares de viabilidade técnica e energética do sistema de recuperação de calor Tabela 2 Faixa de dados do motor Parâmetro Faixa motor Scania DC13085A Potência bruta 500600 HP 373447 kW Rendimento térmico ηth 3542 Calor rejeitado gases de escape sistema de arrefecimento 5865 da energia do combustível Vazão dos gases de exaustão 1525 kgs Temperatura dos gases de escape 450600 C Temperatura do líquido de arrefecimento 8595 C Pressão do escape 1520 bar abs Fonte Scania 2024 Estimativa de calor disponível para recuperação Se considerarmos uma eficiência de 40 que é a media do motor selecionado e dos motores a diesel de 500HP 600HP Potência térmica total QcombustívelPútil ηth 447 kW 040 1118 kW Calor rejeitado 60 Qrejeitada 670 kW Exaustão gases quentes 60 400 kW Sistema de arrefecimento radiador 40 270 kW 670 kW de energia térmica residual potencialmente aproveitável sendo o maior foco os gases de escape 400 kW 3 SELEÇÃO DOS FLUIDOS 31 Comparação Inicial Fluidos Potenciais A correta escolha do fluido de trabalho em ciclos Rankine é essencial para a eficiência e viabilidade de sistemas de recuperação de calor Os critérios de seleção incluem compatibilidade termodinâmica com a fonte de calor gases de exaustão e líquido de arrefecimento estabilidade térmica segurança impacto ambiental e disponibilidade comercial Para este projeto foram inicialmente avaliados cinco fluidos amplamente estudados na literatura e utilizados em sistemas ORC industriais água amônia tolueno R245fa e pentano Destes três foram selecionados para aplicação prática no sistema proposto considerando um motor Diesel Scania DC13085A 500 HP Tabela 3 Fluidos Potenciais Fluido Faixa útil de temperatura C Pressão normal de operação bar Estabilidade térmica C máx Vantagens Desvantagens Água 100350 Alta 100 350 Alta eficiência não tóxica barata Alta pressão requer metais resistentes Amônia NH ₃ 40200 Moderada 220 Excelente transferência de calor barata Tóxica corrosiva ao cobre Tolueno 150450 Moderada 400 Boa para altas T baixa pressão Inflamável tóxico R245fa HFC 40180 Baixa 24 230 Não inflamável ideal para baixa T Baixa eficiência impacto ambiental GWP Pentano 80200 Moderada 240 Seco bom rendimento Inflamável eficiência intermediária Fonte O autor 2025 32 Fluidos escolhidos para simulações Após análise das propriedades termodinâmicas disponibilidade e adequação ao perfil térmico do motor Scania DC13085A gases a 420 C e líquido de arrefecimento a 85 C selecionamse os seguintes três fluidos I R245fa fluido primário para o ciclo de baixa temperatura devido ao seu uso consolidado em ciclos Rankine orgânicos ORC de baixa entalpia Apresenta estabilidade térmica adequada baixa inflamabilidade e disponibilidade comercial em empresas como a Honeywell e a TEGA HONEYWELL 2014 TEGA 2023 Além disso estudos demonstram sua eficiência térmica em aplicações com fontes de calor residuais industriais QEYYUM et al 2021 FAKEYE OYEDEPO 2018 II Pentano isopentano escolhido para o ciclo de alta temperatura por apresentar curva de saturação seca e melhor adaptação a fontes térmicas intermediárias entre 120 C e 200 C FAKEYE OYEDEPO 2018 MDPI 2015 Apesar de inflamável sua boa performance termodinâmica o torna um dos fluidos mais indicados para sistemas de recuperação térmica com restrições de pressão III Amônia selecionada para avaliação de desempenho em ciclos de média temperatura especialmente considerando sua elevada eficiência térmica e bom desempenho em ciclos transcríticos Contudo devido à sua toxicidade sua aplicação exige sistemas herméticos e materiais compatíveis com ambientes corrosivos QEYYUM et al 2021 FAKEYE OYEDEPO 2018 Esses fluidos compõem três cenários de simulação no projeto contemplando diferentes combinações de ciclo e segurança Cenário A R245fa isopentano duplo ciclo Cenário B R245fa amônia Cenário C Isopentano amônia 4 MODELAGEM E MEMORIAL DE CÁLCULOS 41 Premissas Gerais Para o desenvolvimento da modelagem termodinâmica do sistema de recuperação de calor em um motor Diesel Scania DC13085A foram adotadas as seguintes premissas fundamentais Potência útil do motor 447 kW equivalente a 600 HP Rendimento térmico do motor 40 Poder calorífico inferior PCI do diesel 42700 kJkg Condições ambientais padrão 25 C e 1 atm conforme ASME 2021 Perdas térmicas no sistema de recuperação 10 da energia disponível Faixa de calor rejeitado pelo motor 60 da energia do combustível 670 kW Distribuição da energia rejeitada 400 kW pelos gases de escape e 270 kW pelo sistema de arrefecimento 42 Cálculo da Energia Térmica Rejeitada A energia térmica disponível para recuperação é estimada a partir da potência útil e do rendimento do motor QcombustıvelPutil etatermico 447 kW 040 11175 kW Qrejeitada Qcombustıvel 1 etatérmico 11175 x 060 6705 kW Considerando a distribuição Exaustão gases quentes Qexaustao 400 kW Sistema de arrefecimento líquido Qarrefecimento 270 kW 43 Estrutura Termodinâmica Ciclo Rankine Modificado O sistema proposto adota uma estrutura de duplo ciclo Rankine ORC composta por dois níveis de temperatura Alta temperatura Recuperação dos gases de exaustão 420600 C Baixa temperatura Recuperação do sistema de arrefecimento 8595 C Cada ciclo é modelado com os seguintes equipamentos principais Trocadores de calor evaporadorsuperaquecedor e recuperador Turbina expansora para geração de trabalho Condensador Bomba de recirculação 44 Estados Termodinâmicos Tabela 4 Estados Termodinâmicos Ponto Descrição Estado Físico Grandezas Principais 1 Saída da bomba Líquido subresfriado P1 h1 T1 2 Saída do evaporador Vapor saturado ou superaquecido P2 h2 T2 3 Saída da turbina Mistura úmida ou vapor expandido P3 h3 T3 4 Saída do condensador Líquido saturado P4 h4 T4 Fonte O autor 2025 As propriedades termodinâmicas entalpia h entropia s são obtidas por meio de bancos de dados de fluidos NIST REFPROP ou bibliotecas como CoolProp 45 Equações Utilizadas 1 Cálculo da vazão mássica do fluido de trabalho Qevap m h2h1 m Qevap h2h1 2 Trabalho gerado pela turbina Wturbina m h2h3 3 Trabalho consumido pela bomba Wbomba m h1h4 4 Eficiência térmica do ciclo Rankine ideal etaRankineWlıquido Qevap WturbinaWbomba Qevap 5 Potência líquida recuperada Wlıquido Wturbina Wbomba 6 Eficiência global do sistema de recuperação com perdas etasistema Wlıquido Qrejeitada 1perdas etaRankine 090 46 Modelagem para Diferentes Fluidos Foram simulados três cenários termodinâmicos com diferentes combinações de fluidos conforme a Tabela 3 e seção 32 Tabela 5 Modelagem para 3 cenários Cenário Fluido Alta T gases Fluido Baixa T arref Observações técnicas A Isopentano R245fa Boa eficiência térmica com fluidos comerciais B Amônia R245fa Alta eficiência mas exige controle hermético C Amônia Isopentano Alta eficiência maior risco operacional Fonte O autor 2025 Cada fluido foi testado com base em seus limites térmicos e pressões recomendadas A eficiência de cada ciclo e a potência recuperada foram calculadas utilizando os métodos acima com os dados extraídos das tabelas termodinâmicas correspondentes 47 Conclusão da Modelagem O modelo desenvolvido permite a avaliação de desempenho termodinâmico de diferentes fluidos e arranjos de recuperação de calor considerando as especificações reais do motor Scania DC13085A Com base nos dados de entrada e nos ciclos simulados estimase que seja possível recuperar até 20 da energia térmica rejeitada dependendo do cenário e das características dos fluidos selecionados 5 ANÁLISE EXERGÉTICA A análise exergética é uma ferramenta fundamental na avaliação de sistemas termoenergéticos pois permite identificar não apenas as quantidades de energia envolvidas mas também a qualidade e a utilidade dessa energia para realização de trabalho Diferentemente da análise energética que considera apenas a conservação da energia primeira lei da termodinâmica a exergética leva em conta as irreversibilidades do sistema conforme a segunda lei da termodinâmica possibilitando a identificação de perdas reais no processo BEJAN 2006 Para realizar a análise exergética do sistema de recuperação de calor do motor Diesel Scania DC13085A consideraramse os seguintes pontos Premissas da análise Temperatura ambiente T0 25 C ou 278K Pressão ambiente 1 atm Exergia física considerada baseada nas entalpias e entropias obtidas das propriedades termodinâmicas dos fluidos Desconsideração da exergia química do combustível pois o foco da análise está no sistema de recuperação de calor Irreversibilidades consideradas dissipação térmica nos trocadores perdas por atrito irreversibilidade nos processos de expansão e bombeamento 51 Cálculo da exergia física dos pontos do ciclo Rankine A exergia física Exf de um fluxo de fluido é dada por Exf h h0 T0 x s s0 h entalpia do ponto analisado kJkg h0 entalpia de referência a T0 s entropia do ponto analisado kJkgK s0 entropia a T0 T0 temperatura de referência K Esses valores são obtidos por software ou tabelas de propriedades dos fluidos ex REFPROP CoolProp ou bases dos fabricantes como Honeywell ou TEGA para o R245fa 52 Exergia de entrada no sistema Considerando que o calor rejeitado pelo motor Qrejeitada é de aproximadamente 670 kW e que cerca de 400 kW são provenientes dos gases de escape a exergia associada a essa energia térmica é calculada por Exq Q x 1 T0 Tfonte Exq exergia do calor disponível kW Q energia térmica disponível kW T0 temperatura ambiente K Tfonte temperatura média dos gases K Exemplo gases de escape a 600 C 873 K Exq 400 x 1 298 873 400 x 1 03414 400 x 06586 2634 kW 53 Exergia útil recuperada A exergia útil recuperada pelo ciclo Rankine Exutil é o trabalho líquido gerado que pode ser calculado diretamente pela diferença entre a exergia na saída da turbina e na entrada da bomba Exutil m x h3 h4 T0 x s3 s4 m x h2 h1 T0 x s2 s1 Esse valor depende da massa de fluido m circulando no ciclo e das propriedades específicas nos pontos do ciclo 1 a 4 podendo ser estimado com dados típicos 54 Eficiência exergética do sistema A eficiência exergética etaex do sistema é dada por etaex Exutil Exq Essa eficiência mede o quanto da exergia disponível na fonte de calor gases de escape é efetivamente convertida em trabalho útil Valores típicos de eficiência exergética em sistemas Rankine de recuperação de calor variam entre 20 e 40 dependendo do fluido do projeto e das temperaturas envolvidas KEHAYOGLU PULLURU 2021 55 Distribuição das perdas exergéticas As principais fontes de destruição de exergia no sistema analisado são Trocadores de calor perdas por gradientes térmicos elevados e irreversibilidades de troca Turbina irreversibilidades associadas a expansão não isotrópica Bomba trabalho consumido em compressão irreversível Condensador perda exergética quase total da energia térmica restante Essas perdas podem ser estimadas com base em balanços de exergia por componente Experdida Exentrada Exsaida Exutil 56 Considerações finais A análise exergética permite perceber que mesmo com uma energia térmica residual disponível de cerca de 670 kW apenas uma fração dessa energia pode ser convertida em trabalho útil devido às limitações impostas pela segunda lei da termodinâmica e pelas irreversibilidades intrínsecas do processo Para o sistema proposto a exergia efetivamente recuperada com os fluidos escolhidos especialmente R245fa e isopentano apresenta uma eficiência exergética média estimada de 30 o que corresponde a cerca de 120 a 140 kW de potência adicional aproveitável Essa energia pode ser utilizada para sistemas auxiliares do motor armazenamento ou mesmo geração elétrica contribuindo para a eficiência energética total da planta motriz A análise exergética portanto reforça a importância de otimizar cada componente do sistema especialmente trocadores de calor e turbinas com foco na redução das irreversibilidades e melhor aproveitamento da energia disponível 6 COMPARAÇÃO DE CENÁRIOS Diante das simulações conduzidas a partir do modelo termodinâmico implementado três cenários principais foram estruturados com o objetivo de avaliar a eficiência energética e a viabilidade técnicooperacional do sistema de recuperação de calor aplicado ao motor Diesel Scania DC13085A com potência nominal de 500 HP Os cenários foram definidos com base em combinações estratégicas dos fluidos R245fa isopentano e amônia conforme descrito na etapa de seleção de fluidos O Cenário A combina R245fa no ciclo de baixa temperatura BT e isopentano no ciclo de alta temperatura AT Essa configuração se mostrou particularmente eficiente em relação à estabilidade térmica e segurança operacional principalmente pela baixa toxicidade dos fluidos envolvidos O R245fa demonstrou bom desempenho na absorção do calor do sistema de arrefecimento 85 C enquanto o isopentano foi eficaz na recuperação energética dos gases de escape 420 C com temperaturas máximas de superaquecimento na faixa de 150 C Neste cenário a eficiência térmica combinada atingiu cerca de 105 de recuperação da potência original do motor o que o coloca acima da meta estabelecida para o projeto O bom equilíbrio entre desempenho e segurança torna este cenário o mais promissor para aplicações reais em ambientes agrícolas FAKEYE OYEDEPO 2018 HONEYWELL 2014 O Cenário B que combina R245fa no ciclo BT e amônia no ciclo AT apresentou desempenho técnico elevado com recuperação de até 112 da potência térmica A amônia reconhecida por seu alto rendimento termodinâmico QEYYUM et al 2021 foi capaz de operar com eficiência mesmo em pressões mais elevadas 30 bar o que exigiu ajustes no dimensionamento dos trocadores de calor e cuidados adicionais com a vedação dos componentes Apesar dos bons resultados exergéticos a toxicidade e o potencial corrosivo da amônia implicam restrições importantes para o uso em campo principalmente em sistemas sem vigilância constante ou em ambientes com risco de exposição humana Ainda assim este cenário se destaca por sua alta performance energética O Cenário C que reúne isopentano no ciclo BT e amônia no ciclo AT apresentou a maior recuperação térmica dentre os três cenários com valores próximos a 120 da potência do motor Esse desempenho é atribuído à combinação de dois fluidos com alta capacidade de transferência térmica e curvas de saturação favoráveis No entanto essa configuração também representa o maior desafio em termos de segurança operacional A coexistência de dois fluidos com riscos distintos inflamabilidade do isopentano e toxicidade da amônia aumenta substancialmente os requisitos de contenção controle e manutenção o que pode inviabilizar sua adoção prática em ambientes como propriedades agrícolas Ainda assim este cenário serve como referência de desempenho máximo do sistema Comparandose os três cenários notase que o desempenho térmico está diretamente relacionado à combinação dos fluidos e ao aproveitamento ideal das faixas de temperatura disponíveis O cenário com isopentano e R245fa oferece o melhor compromisso entre eficiência segurança e simplicidade de implementação Em contrapartida cenários que utilizam amônia apresentam vantagens técnicas mas exigem soluções mais sofisticadas para mitigação de riscos Além da eficiência térmica outros critérios como pressão de operação compatibilidade com materiais e viabilidade econômica foram considerados A literatura destaca que fluidos como o R245fa apesar de seu bom desempenho enfrentam restrições regulatórias em função de seu potencial de aquecimento global GWP o que também pode afetar sua aplicação futura TEGA 2023 MDPI 2015 Já o isopentano largamente utilizado em aplicações geotérmicas e sistemas industriais mantémse competitivo por seu baixo custo e fácil manuseio embora demande atenção quanto à ventilação e à proteção contra ignição Os dados comparativos obtidos nas planilhas de modelagem indicam que todas as alternativas são tecnicamente viáveis com diferentes níveis de exigência operacional A escolha final dependerá da prioridade do projeto seja ela eficiência energética máxima segurança operacional ou simplicidade de implantação Tabela 6 Comparação entre cenários de recuperação energética Cenário Fluidos Utilizados Eficiência Térmica Estimada Riscos Operacionais Observações A R245fa BT isopentano AT 105 Baixos fluidos com boa estabilidade térmica e baixa toxicidade Boa relação desempenhoseguran ça ideal para aplicações práticas Cenário Fluidos Utilizados Eficiência Térmica Estimada Riscos Operacionais Observações em campo B R245fa BT amônia AT 112 Médios a altos amônia é tóxica e requer pressões elevadas Maior eficiência mas exige controle rigoroso e segurança ampliada C Isopentano BT amônia AT 120 Altos inflamabilidade pentano toxicidade amônia Melhor desempenho térmico aplicação limitada devido à complexidade operacional Fonte O autor 2025 Legenda BT Baixa Temperatura circuito com fluido resfriado pelo motor AT Alta Temperatura circuito com calor dos gases de escape 7 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO A recuperação de energia térmica em motores Diesel de alta potência como o Scania DC13085A apresentase como uma estratégia viável e tecnicamente promissora para elevar a eficiência energética de sistemas agrícolas Com base na modelagem termodinâmica realizada e nos três cenários simulados verificase que é possível recuperar entre 105 e 120 da potência original do motor representando um ganho significativo de desempenho energético sem alteração na geração primária Entre os cenários analisados aquele que combina os fluidos R245fa e iso pentano Cenário A mostrouse o mais equilibrado entre eficiência térmica e segurança operacional Com eficiência de cerca de 105 este arranjo apresenta baixos riscos toxicológicos e pressões de operação compatíveis com a maioria dos trocadores de calor e turbinas comerciais de pequeno porte A estabilidade química dos fluidos selecionados e a disponibilidade comercial dos mesmos como fornecido por empresas como Honeywell e TEGA reforçam a viabilidade de aplicação industrial em ambientes com menor controle técnico como operações agrícolas O Cenário B que utiliza R245fa e amônia apresentou desempenho superior 112 mas exige cuidados adicionais devido às propriedades tóxicas e à pressão de operação da amônia Embora a amônia seja amplamente utilizada em sistemas industriais de refrigeração e ORCs de alta performance sua adoção em ambientes fora de plantas industriais requer sistemas de contenção reforçados monitoramento constante e capacitação técnica das equipes envolvidas Já o Cenário C que utiliza isopentano em baixa temperatura e amônia em alta oferece o maior potencial de recuperação 12 porém carrega os maiores desafios operacionais A combinação de um fluido inflamável com outro tóxico requer robustos sistemas de segurança e controle além de redundâncias operacionais que podem elevar significativamente os custos de implantação e manutenção Esse cenário portanto pode ser mais indicado para instalações fixas e controladas como unidades industriais com infraestrutura de engenharia completa não sendo o mais recomendado para ambientes agrícolas móveis ou remotos Com base nos resultados obtidos recomendase a adoção do Cenário A como solução preferencial em projetos de recuperação térmica em motores Diesel aplicados ao setor agrícola Sua simplicidade operacional compatibilidade técnica com componentes comerciais e segurança ampliada oferecem o melhor compromisso entre desempenho e viabilidade O estudo demonstrou que a integração de ciclos Rankine a motores de combustão interna pode ser tecnicamente modelada com ferramentas acessíveis como planilhas eletrônicas e analisada sob a ótica da termodinâmica clássica e exergética O uso de softwares e bancos de dados atualizados assim como referências técnicas confiáveis mostrouse essencial para garantir a precisão dos cálculos e a fundamentação das escolhas técnicas É importante destacar que o sucesso da adoção desse tipo de sistema dependerá da análise de cada aplicação específica das condições operacionais do motor do regime térmico da instalação e dos recursos financeiros disponíveis para a implantação Estudos futuros podem incluir a análise de retorno econômico do investimento payback avaliação de impacto ambiental da escolha dos fluidos e simulações de regimes de carga variável REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMICABILE S et al Thermoeconomic analysis of ORC systems for the recovery of lowgrade heat Energy v 36 n 8 p 58075819 2011 DESHMUKH V P et al Comprehensive review of waste heat recovery from internal combustion engines Technologies and applications Energy Reports v 7 p 3160 3179 2021 LI X NGUYEN M HE M Performance analysis and optimization of a waste heat recovery system based on Rankine cycle for marine diesel engine Energy Conversion and Management v 205 p 112456 2020 NG W Y et al The potential of exhaust waste heat recovery in heavyduty Diesel generators using Rankine cycle A technoeconomic assessment In International Conference on Electrical and Computer Engineering Technologies ICECET 2024 SPROUSE C E III Review of Organic Rankine Cycles for internal combustion engine waste heat recovery Sustainability v 16 n 2 p 883 2024 ZHANG W et al Numerical analysis and optimization design of heat exchangers in organic Rankine cycle system International Journal of Heat and Mass Transfer v 173 p 121238 2021 SCANIA Ficha técnica do motor industrial Scania DC13085A 500 HP Stage V Södertälje Scania Group 2024 Disponível em httpswwwscaniacomgroupenhomeproductsandservicesenginespower generationenginesdc13085ahtml Acesso em 12 jun 2025 HEYWOOD John B Internal combustion engine fundamentals New York McGraw 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Link httpswwwscaniacomcontentdamwwwmarketmasterproductspower solutionsenginepdfsindustrialDC13085A368kWSCRpdf Contém dados técnicos oficiais do fabricante incluindo curva de torque potência consumo e características termodinâmicas 2 Fluido R245fa Honeywell Link httpswwwhoneywellrefrigerantscomeuropewpcontentuploads201303 honeywellgenetron245aorcsystemsbrochure1pdf Tratase de material técnico do fabricante Honeywell com propriedades do fluido voltadas a ORC Ciclo Rankine Orgânico 3 Isopentano Gas Innovations Link httpsgasinnovationscomwpcontentuploadsGasInnovations IsoPentaneSDSpdf É uma FISPQ Ficha de Informações de Segurança de Produtos Químicos com propriedades físicoquímicas compatível com uso como apêndice técnico 4 Amônia Unigel Link httpswwwunigelcombrwpcontentuploads202110FISPQAMONIA INDUSTRIALAGROBAAGROSEREV00pdf Também é uma FISPQ com informações essenciais de segurança e propriedades do fluido emitida por fabricante nacional Unigel