Análise comparativa do desempenho de turbocompressores veiculares com câmara de combustão tubular na microgeração de energia
Resumen
Esta dissertação de mestrado apresenta o desenvolvimento de um trabalho que tem como objetivos avaliar a composição de turbocompressores veiculares para microgeração de energia e desenvolver um modelo de câmara de combustão tubular para equipar microturbinas a gás derivadas de turbocompressores. No desenvolvimento do trabalho, utilizando o software Cycle-Tempo, foi feita a avaliação de possíveis configurações de microturbinas a gás derivadas de turbocompressores, no que diz respeito ao número de eixos e dispositivos de aumento de eficiência térmica (intercooler, recuperador de calor e reaquecedor). No total foram simuladas, dez diferentes configurações, sendo que as análises foram feitas diretamente nos parâmetros de eficiência térmica dos conjuntos avaliando-se a relação entre a energia aportada pelo combustível e a energia entregue num gerador elétrico hipotético. Na sequência são definidos os turbocompressores para compor uma determinada configuração de microturbina a gás e, para tanto, utilizaram-se os mapas de desempenho dos turbocompressores de um fabricante. A partir dos parâmetros de operação dos equipamentos foi desenvolvido um modelo tridimensional de câmara de combustão em software de CAD. O modelo passou por cinco etapas de simulações em Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD). As primeiras três etapas serviram para desenvolver e aprimorar o modelo tridimensional de câmara de combustão e, por limitações do software, não envolveram combustão. Utilizando condições de contorno operacionais, foram avaliados: o perfil de velocidades ao longo da câmara de combustão, a perda de pressão, a intensidade da turbulência, a homogeneização entre os reagentes ar e combustível e a divisão do fluxo mássico em cada seção da câmara de combustão. A partir do modelo tridimensional foi desenvolvido um protótipo da câmara de combustão, construído a partir de tubos comerciais de PVC. O protótipo foi avaliado experimentalmente com escoamento do ar a temperatura ambiente, utilizando o acoplamento em série entre um ventilador centrífugo e um soprador. No experimento foi avaliada a divisão de fluxo mássico de ar em cada seção da câmara de combustão e a perda de pressão. As simulações CFD foram refeitas na quarta etapa, onde as condições de contorno foram os parâmetros de fluxo mássico, pressão e temperatura, obtidos experimentalmente. Com isto, pode ser feita a comparação direta entre os resultados obtidos experimentalmente e os resultados das simulações CFD. Concluindo o trabalho foi realizada a quinta etapa, onde foi inserida uma fonte de calor simulando o aporte de energia da combustão, permitindo a avaliação da temperatura na câmara de combustão. As simulações CFD indicaram resultados semelhantes ao que é previsto em bibliografia, no que diz respeito à divisão do fluxo mássico, perda de pressão e à distribuição de velocidades. Já as avaliações experimentais apresentaram incerteza de medição elevada para a divisão de fluxo mássico. Quanto à perda de pressão o método experimental mostrou-se adequado.