BR102013029092B1

BR102013029092B1 - processo de motor a combustão de ciclo combinado

Info

Publication number: BR102013029092B1
Application number: BR102013029092A
Authority: BR
Inventors: Massao Sakai
Original assignee: Massao Sakai
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2016-03-22
Also published as: US20160273392A1; DE112014005161T5; BR102013029092A2; WO2015070302A1

Abstract

processo de motor a combustão de ciclo combinado e motor a combustão de ciclo combinado combina o ciclo otto ou. diesel com o ciclo rankine no mesmo motor de combustão interna. o vapor de alta pressão gerado com a potência térmica disponíveis nos gases de combustão é injetado nas câmaras de combustão na fase de combustão/expansão do motor. ovapor e baixa pressão gerado no sistema de arrefecimento junto com parte da energia do gás de combustão é utilizado como fluido motriz do ejetor para aspirar os gases de combustão do motor. a purga do tambor de baixa pressão injetada na abertura da válvula de admissão é utilizada para controlar a temperatura do ar de combustão durante a fase de compressão, permitindo a aplicação de altas taxas de compressão. balanços de massa e energia do ciclo otto e rankine indicam que esta tecnologia propicia ganho de potência útil de até 55,3%, com um aumento de eficiência térmica de até 46,1% superior ao do motor otto de referência. .o sistema de descarte do gás de combustão para a atmosfera, após o escoamento deste gás pelo poço do condensador e resfriamento para recuperação de água e associada à maior eficiência térmica do motor, diminui consideravelmente tanto a poluição térmica quapto a emissão de particulados.

Description

PROCESSO DE MOTOR A COMBUSTÃO DE CICLO

COMBINADO

CAMPO DE APLICAÇÃO [001] A presente patente de invenção refere-se a um motor de combustão interna, junto ao qual é aplicado o conceito de ciclo combinado de centrais termelétricas, combinando o ciclo· Otto ou Diesel com o ciclo Rankine, cora vistas a melhorar o rendimento térmico e, consequentemente, reduzir o consumo de combustível, A invenção possibilita ainda melhorar a qualidade dos gases de combustão liberados para a atmosfera reduzindo a concentração de NOx e particulâdos, FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [002] Motores a combustão· funcionam a partir da queima de combustíveis, que são· substâncias quimícas explosivas. Essa explosão ocorre dentro de uma câmara de combustão (20) especialmente dimensionada para que a energia liberada pela explosão se transforme em movimento mecânico do pistão. [003] Desde a década de 1980, tem-se utilizado o conceito de ciclo combinado em. termelétricas e de acordo com este, o combustível fóssil tem sido queimado em turbinas a gás com eficiência em torno de 301, e o rejeito térmico, cerca de 7 0%, utilizado na geração de vapor para acionar turbinas a vapor, As termelétricas embasadas somente no ciclo Rankine tem um rendimento aproximado de 351 e com a concepção do ciclo combinado, apresenta rendimento térmico de até 601.

ESTADO DA TÉCNICA [004] Nos motores de combustão, devido aos requisitos cada vez mais severos em relação às emissões (CO, NOx e SOx) , tem se atuado em três pontos: qualidade dos combustíveis, catalisadores e principalmente redução da temperatura de combustão. A redução da temperatura de combustão é obtida com o excesso de ar de combustão (causa perda de eficiência) ou com a recirculação dos gases de combustão (causa perda da eficiência volumétrica). [005] O uso da combinação entre os ciclos Otto/Diesel e o ciclo de vapor Rankine, atualmente, é feito pelo sistema de recuperação do calor residual (Waste Heat Recovery ou WHR), rejeitado pelos gases de exaustão para gerar vapor e este, utilizado como fluido motriz de uma turbina. Esta concepção só é viável para instalações de grande porte devido à necessidade de uma estação de tratamento de água de reposição para atender os requisitos de vapor para a turbina. [006] A patente EP0076885 propôs a injeção de vapor no motor de quatro tempos, transformando-o em motor de seis tempos, quatro tempos destinados ao ciclo Otto ou Diesel, intercalados por dois tempos do motor a vapor: injeção e exaustão de vapor. Esta concepção tem a desvantagem de requerer mudanças significativas no projeto do motor de combustão, com características de válvulas e controles distintos do motor convencional, além do sistema coletas de vapor de descarga e sua recuperação para a reposição da água de processo. [007] O pedido de patente BR 10 2012 013088-2 traz um motor de ciclo combinado para motores a combustão interna com ciclo Otto e Diesel, no qual o vapor de alta é injetado nos cilindros com a finalidade de ganho de potência mecânica e o vapor de média é injetado para redução da temperatura de compressão. A injeção de vapor de baixa aumenta a potência de compressão do motor, além de não ser muito efetiva na redução de temperatura comparada com a injeção de condensado proposta pelo presente pedido de patente.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [008] A Figura 1 apresenta um fluxograma completo do processo do motor de ciclo combinado onde são indicados: [009] (1) tambor de alta pressão; [0010] (2) fluxo do vapor de alta pressão para os cilindros do bloco do motor (3); [0011] (3) bloco do motor; [0012] (4) sistema de arrefecimento do motor; [0013] (5) preaquecedor do condensado de baixa pressão; [0014] (6) tambor de baixa pressão; [0015] (7) ejetor para descarga dos gases dos cilindros; [0016] (8) coletor de descarga; [0017] (9) catalisador; [0018] (10) Gerador de Vapor por Recuperação de Calor - "Heat Recovery Steam Generator" (HRSG); [0019] (11) fluxo da purga do tambor de baixa pressão (6); [0020] ( 12) bomba de alimentação; [0021] (13) bomba de condensado; [0022] (14) bomba de circulação; [0023] (15) condensador; [0024] (16) radiador; e [0025] (17) fluxo de recirculação de condensado para controle nivel do tambor de baixa pressão (6). [0026] Nas Figuras de 2 a 7 são apresentados os resultados das simulações, e foi adotada a nomenclatura para os quatro tempos do motor a combustão: admissão (I), compressão (C), combustão (P) e exaustão (E). [0027] As Figuras 2, 3 e 4 representam as curvas de logaritmo da pressão absoluta (em bar abs) interna dos cilindros em função do ângulo do virabrequim para os quatro tempos do motor. [0028] As Figuras 5, 6 e 7 apresentam as curvas de temperatura (°C) interna dos cilindros em função do ângulo do virabrequim para os quatro tempos do motor.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0029] A presente invenção é baseada no reaproveitamento da energia térmica rejeitada pelo motor de combustão interna convencional tanto pela exaustão dos gases de combustão como também pelo sistema de arrefecimento, utilizando a combinação de cinco inovações técnicas em relação ao estado da técnica: [0030] a) inovação 1: o ciclo de vapor de alta pressão cujo vapor ao ser injetado no motor reduz a temperatura da fase de combustão, mas aumenta a pressão interna dos cilindros, o que eleva o rendimento do trabalho de pistão no interior da câmara de combustão (20). A redução da temperatura diminui a formação de NOx; [0031] b) inovação 2: a injeção de condensado da purga do tambor de baixa pressão (6) no fim do tempo de exaustão da câmara de combustão (20). Esta injeção permite exaurir melhor o gás de combustão no fim da exaustão e controlar a temperatura interna dos cilindros na compressão, possibilitando uma maior taxa de compressão e maior eficiência de trabalho de pistão; [0032] c) inovação 3: o uso de ejetor (7) no circuito de gases de exaustão reduz a pressão de descarga utilizando o vapor saturado de baixa pressão (32) como vapor motriz, que auxilia a remoção dos gases de exaustão da câmara de combustão (20) e reduz o trabalho do pistão para a exaustão dos gases de combustão; [0033] d) inovação 4: o condensador (15) funciona como um recuperador de água do sistema e como filtro ou lavador de gases, pois quando os gases são borbulhados no fundo do condensador (15) e atravessam a coluna de condensado são retidos os materiais particulados que seriam liberados para o ambiente. [0034] e) inovação 5: o calor gerado no catalisador (9) pela oxidação dos hidrocarbonetos remanescentes da combustão incompleta do motor é utilizado na geração de vapor de alta pressão (10). [0035] A Figura 1 apresenta uma possível montagem do sistema do motor de ciclo combinado completo. [0036] No processo do motor de ciclo combinado, a mistura ar-combustível (21) entra na câmara de combustão (20), junto com a injeção de condensado da purga (11) do tambor de baixa pressão (6), no fim do tempo de exaustão (E) do ciclo Otto ou Diesel, inovação 2. [0037] Em seguida, no final do tempo da compressão (C) , o vapor de alta pressão (2) do tanque de alta pressão (1) é injetado na câmara de combustão (20), inovação 1. [0038] Assim, no tempo da combustão (P) estão presentes na câmara de combustão (20): o ar e o combustível que se transformam em gás de combustão, parte da injeção de condensado da purga (11) do tanque de baixa (6) vaporizado e o vapor de alta pressão (2) compondo o fluxo de gases de exaustão do motor de ciclo combinado. [0039] Na exaustão (E) , os gases de exaustão são descarregados no coletor de descarga (8) e seguem para o catalisador (9), absorvendo o calor gerado neste equipamento antes de entrarem no Gerador de Vapor por Recuperação de Calor - HRSG (10), inovação 4. [0040] No Gerador de Vapor por Recuperação de Calor - HRSG (10), há troca de calor entre os gases de exaustão (8-23) e água de alimentação, que é parte da purga (33-34) do tambor de baixa pressão (6), produzindo o vapor de alta pressão (1-34) . [0041] A descarga dos gases de exaustão (23) do Gerador de Vapor por Recuperação de Calor - HRSG (10) segue, então, para o preaquecedor (5). [0042] Saindo do preaquecedor (5) , os gases de exaustão mais resfriados (24) são succionados pelo ejetor (7), se misturam com a corrente de vapor motriz do tambor de baixa pressão (32), formando uma corrente gasosa de exaustão (25), inovação 3. [0043] A corrente gasosa de exaustão (25) é borbulhada no fundo do condensador (15), condensando grande parte do vapor na água, cujo nível é mantido por um extravasador (35). Após atravessar o líquido, a parte de incondensáveis dos gases de exaustão, depois de lavada no condensador (15), é liberada para a atmosfera (26), inovação 4. [0044] Ainda na Figura 1, água do condensador (15) é retirada pela parte inferior (28) e bombeada pela bomba de circulação (14) para o radiador (16), onde perde calor e retorna para a parte superior do condensador (15) na forma de "spray". [0045] A bomba de condensado (13), conectada à saída da bomba de circulação (14), faz circular o líquido (29) através do preaquecedor (5) , onde recebe calor, que segue (30) para o sistema de arrefecimento (4) do motor, alimentando (31) o tambor de baixa pressão (6) com o fluxo bifásico. Este tambor fornece o vapor saturado que é o vapor motriz do ejetor, inovação 3, e o condensado que alimenta a injeção da inovação 2 e a bomba de água de alimentação (12). [0046] A bomba de água de alimentação (12) alimenta, por sua vez, o Gerador de Vapor por Recuperação de Calor - HRSG (10) e o tambor de alta pressão (1) com vapor superaquecido. [0047] E fechando o ciclo, este vapor é injetado no interior da câmara de combustão (20) no bloco do motor (3) , misturando-se com o ar e o combustível no fim do tempo de compressão, que é representado pelo fluxo (2) na figura 1, inovação 1. [0048] A tabela 1 a seguir apresenta os casos simulados com os cálculos de balanço de massa e energia, cujos resultados fundamentam o uso da invenção.

Tabela 1 - Casos calculados [0049] As características mecânicas do motor Otto de referência (A) , resumidas na tabela 2 foram utilizadas também para o protótipo do motor de ciclo combinado (B) e para o motor otimizado (O) (exceto taxa de compressão) .______ Tabela 2 - Características dos motores [0050] No caso do motor Otto de referência (A), foram ajustados e determinados o rendimento térmico do motor, a eficiência do processo de expansão dos gases de combustão, os coeficientes de transferência de calor, a capacidade de vazão da válvula de descarga e a temperatura referência para proteção contra a autoignição (detonação). [0051] Os dados de operação medidos utilizados foram: _______________________________________________________ Tabela 3 - Dados de operação do motor Otto de referência (A) [0052] Foram estimados os seguintes parâmetros para o motor Otto de referência (A): Tabela 4 - Dados estimados (a serem confirmados experimentalmente) [0053] As medições foram realizadas para as seguintes condições ambientais: Tabela 5 - Condições ambientais [0054] Os resultados dos cálculos de balanço de massa e energia do motor de combustão de referência são apresentados resumidamente na tabela abaixo e nas figuras 2 e 5. [0055] Para o desempenho do motor mostrado nas tabelas 2 e 3, foram determinados os seguintes parâmetros: Tabela 6 - Resultados de balanço de massa e energia do motor de referência [0056] Os balanços de massa e energia do protótipo do motor de ciclo combinado (B) foram executados assumindo dados de projeto conservadores com a finalidade de obter dados experimentais para um projeto avançado e otimizado de um motor de ciclo combinado (O). Os dados de projeto assumidos foram: _ ____ Tabela 7 - Dados de projeto do protótipo do motor de ciclo combinado (B) [0057] Na tabela abaixo estão resumidos os principais resultados do balanço de massa e energia do protótipo do motor de ciclo combinado (B). Entre parênteses a diferença para o motor Otto de referência (A).

Tabela 8 - Resultados do balanço de massa e energia do protótipo do motor de ciclo combinado (B) [0058] A capacidade volumétrica, ou seja, a capacidade de combustão do protótipo do motor de ciclo combinado (B) é 5, 5% maior que a do motor de ciclo Otto (A) , como resultante dos seguintes fatores: Tabela 9 - Parâmetros que influenciam a capacidade volumétrica dos motores [0059] Nos cálculos, não foi considerada a variação do efeito RAM que é a inércia na admissão do ar de combustão - pressão interna dos cilindros no fim da admissão superior à pressão do coletor de admissão. Apesar de ser considerada a mesma rotação nos dois casos, este efeito deve ser maior no protótipo do motor de ciclo combinado (B) devido à injeção de condensado na abertura da válvula de admissão e à pressão menor do coletor de descarga. Nos cálculos teóricos foi desprezado este efeito. Deve ser verificado experimentalmente. [0060] O balanço de massa e energia do caso motor de ciclo combinado otimizado (O) foi executado para estimar o limite de eficiência do motor de ciclo combinado. Os seguintes dados de projeto do motor otimizado (O) foram utilizados: ______________________________________ ___________ Tabela 10 - Dados de projeto do motor de ciclo combinado otimizado (O) [0061] Na tabela abaixo estão resumidos os principais resultados do balanço de massa e energia do motor de ciclo combinado otimizado (O). Entre parênteses a diferença para o motor Otto de referência (A) .

Tabela 11 - Resultados do balanço de massa e energia do motor de ciclo combinado avançado.

RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES [0062] Para as figuras 2 a 7, as curvas seguem o ciclo de Otto ou Diesel, iniciando com a admissão (I). Segue para a direita até o inicio da compressão (C) . Após, a combustão (P) e a exaustão (E) , até retornar ao inicio da admissão (I). [0063] A figura 2 mostra as curvas de pressão dos gases dentro da câmara de combustão (20) em bar abs em função do ângulo do virabrequim para os quatro tempos do motor Otto de referência (A). [0064] A abertura da válvula de admissão (80) acontece pouco antes do final da exaustão (E) , permanece aberta por toda a admissão (I) e fecha (81) no inicio da compressão (C). Já a abertura da válvula de exaustão (85) é iniciada antes do final da combustão (P) e permanece aberta durante toda a exaustão (E) , fechando (86) no inicio da admissão (I) . Assim, por um breve período, as duas válvulas permanecem abertas, entre a abertura da válvula de admissão (80) e o fechamento da válvula de exaustão (86) . [0065] Na figura 3 são apresentadas as curvas de pressão no cilindro do motor Otto de referência (A) e as do protótipo do motor de ciclo combinado (B) para os quatro tempos. [0066] Com o uso do ejetor (7), inovação 3, a pressão no coletor de descarga é inferior à pressão do coletor de admissão, o que favorece o escoamento dos gases de exaustão. No motor convencional, a pressão de descarga é superior à pressão de admissão exigindo maior trabalho do pistão para escoar os gases de exaustão. Portanto, como mostrado na figura 3, a pressão interna no cilindro no inicio da admissão (50) do protótipo do motor de ciclo combinado (B) é menor que a do motor Otto de referência (A). [0067] No final da admissão (51), as pressões são iguais, pois foi assumido o mesmo efeito RAM para os dois motores (ver explicação na tabela 9) . A pressão no final da compressão (52) do protótipo do motor de ciclo combinado (B) é maior que a do motor Otto de referência (A) devido à maior taxa de compressão (14:1 para 10,5:1). [0068] Apesar da menor temperatura interna dos cilindros do protótipo do motor de ciclo combinado (B) durante a combustão (ver figura 7), a pressão interna é superior que a do motor Otto de referência (A) , causada pela maior taxa de compressão e principalmente pela injeção de vapor de alta pressão, preferencialmente acima da pressão critica, no fim da compressão até o inicio da combustão, inovação 1. Nestas mesmas curvas, a partir da faixa de 140 a 150 graus, nota-se o efeito da abertura da válvula de descarga (54), acentuando a queda de pressão. Nesta fase final da combustão (P) ocorre o escoamento critico e a vazão de descarga depende apenas das condições à montante da válvula de descarga. [0069] Nas curvas de pressão da exaustão (E) nota-se novamente o efeito da menor pressão do coletor de descarga (8) no protótipo do motor de ciclo combinado (B), fase em que o escoamento pela válvula não é mais critico e a vazão de descarga é proporcional à diferença de pressão. A pressão interna do protótipo do motor de ciclo combinado (B) cai mais rapidamente que a do motor Otto de referência (A). [0070] Na figura 4 são apresentadas as curvas de pressão no cilindro do motor Otto de referência (A) , as do protótipo do motor de ciclo combinado (B) , e as do motor de ciclo combinado otimizado (O) para os quatro tempos. A taxa de compressão do motor otimizado (O) é maior que a do protótipo do motor de ciclo combinado (B) e consequentemente, a pressão no final da compressão é maior (55) . [0071] A figura 5 mostra as curvas de temperatura interna nos cilindros do motor Otto de referência (A) em graus centígrados em função do ângulo do virabrequim para os quatro tempos (I, C, P e E). [0072] Na figura 6 são apresentadas as curvas de temperatura interna nos cilindros do motor Otto de referência (A) e as do protótipo do motor de ciclo combinado (B) para os quatro tempos (I, C, P e E). [0073] Com a injeção de condensado da purga do tambor de baixa pressão no fim da exaustão (E) e início da admissão (A), inovação 2, a temperatura dos gases no início da admissão (56) do protótipo do motor de ciclo combinado (B) é muito inferior que a do motor Otto de referência (A). [0074] Parte do condensado injetado evapora devido à menor pressão interna dos cilindros em relação a do tambor (6) expulsando o gás de combustão do cilindro. A outra parte do condensado saturado injetado permanece no estado líquido na forma de gotículas que só evaporam com a admissão de ar mantendo a umidade relativa próxima a da saturação. Neste instante (56), a câmara de combustão fica ocupada com o vapor saturado, a pequena quantidade do gás de combustão residual e o condensado pulverizado. Apesar da temperatura elevada do bloco do motor (3) , a evaporação do condensado mantém a temperatura da mistura ar combustível baixa dentro dos cilindros durante o tempo de admissão (A) . A baixa temperatura e a menor presença de gás de exaustão residual no fim da admissão (I) aumentam a capacidade volumétrica do motor de ciclo combinado em relação ao motor Otto de referência, ou seja, maior capacidade de combustão. [0075] Com temperatura mais baixa no fim da admissão e ainda com pequena parte do condensado pulverizado remanescente, a taxa de compressão do motor de ciclo combinado pode ser aumentada, sem provocar a detonação. Nas curvas de temperatura na compressão (C) da figura 6 podem ser notadas na posição da ignição (58), que a temperatura dos gases no motor de ciclo combinado (B) e do motor Otto de referência (A) são iguais, apesar da diferença da taxa de compressão (14:1 para 10,5:1). [0076] Na combustão (P) pode ser notado o efeito das injeções de condensado e vapor de alta pressão. A temperatura interna do motor de ciclo combinado (B) é significativamente menor que a do motor Otto de referência (A), diminuindo consequentemente a formação de NOx. [0077] Na figura 7 são apresentadas as curvas de temperatura internas no cilindro do motor Otto de referência (A) , as do protótipo do motor de ciclo combinado (B) , e as do motor de ciclo combinado otimizado (O) para os quatro tempos. Com o gerador de vapor mais eficiente, a produção de vapor de alta pressão é proporcionalmente maior no motor de ciclo combinado otimizado (O) que no protótipo do motor de ciclo combinado (B) e, consequentemente, a redução de temperatura na combustão é maior. Apesar da taxa de compressão maior (25:1) do motor de ciclo combinado otimizado (0), a temperatura interna nos cilindros no tempo de ignição é igual ao do motor de ciclo combinado otimizado (0) e ao do motor Otto de referência (A).

Claims

1. PROCESSO DE MOTOR A COMBUSTÃO DE CICLO CGMBIMADO compreendendo um motor de combustão de ciclo Otto ou ciclo Diesel acoplado a um sistema de recuperação de energia para o ciclo Rankine caracterizado por; - os gases de exaustão· no coletor de descarga (8) trocarem calor com a purga {11 — 333 do tambor de baixa pressão (6) no Gerador de Vapor por Recuperação de Calor (10) para alimentar o tambor de alta pressão {1) na forma de vapor superaquecido de alta pressão, preferencialmente acima da pressão critica, sendo o dito vapor de alta pressão injetado nos cilindros (20) entre o fim da compressão· (C) e o início da combustão (P) do ciclo otto ou Diesel - o vapor de baixa pressão, gerado cora o calor do sistema de arrefecimento e com a parcela residual do calor dos gases de exaustão e armazenado no tambor de baixa pressão (6) , ser usado como vapor motriz em. um ejetor (7) para reduzir a pressão na linha de coletor de gases (8} e, consequentemente, fazer com que a pressão dos gases na admissão seja maior que a pressão na exaustão·, - o condensado saturado de baixa pressão, gerado com o calor do sistema de arrefecimento e com a parcela residual do calor dos gases de exaustão e armazenado no tambor de baixa pressão {€), ser injetado no cilindro no final da exaustão (ES, - ser usado um sistema para recuperação de água e tratamento de gases de exaustão, sendo os gases borbulhados dentro de um condensador (15) com liquido de resfriamento; o dito líquido atua como um lavador de gases que retém material particulado arrastado pelo gás de exaustão; sendo que na parte superior do condensador (15) há um dispersar de liquido resfriado proveniente do sistema de resfriamento com radiador (16) . - utilizar o gerador de vapor por recuperação· de calor montado à jusante do catalisador, utilizando o· calor gerado neste equipamento para a produção de vapor.