Estudo numérico do desempenho de um grupo gerador ciclo otto operando com GLP e análise da sua aplicação com misturas GLP+H2 e GN+H2

Abstract

A performance e as emissões de um motogerador (GMG LPG95), operando com cargas elétricas resistivas e indutivas, tanto off grid quanto on grid, foi avaliada experimentalmente e por meio de um modelo termodinâmico zero-dimensional de duas zonas. O GMG utiliza um motor de combustão interna (MCI) ciclo otto, a gás liquefeito de petróleo (GLP) modelo MWM 12.6 CTA. A potência e torque mecânicos, consumo específico de combustível e eficiência global foram avaliados perante variações da potência elétrica no experimento do gerador. Um modelo numérico de baixo custo computacional, foi acoplado a funções de Wiebe e a modelos de previsão de emissões baseados em equilíbrio químico e na formação de hidrocarbonetos não queimados. Em sequência, são comparados os resultados dos cálculos e experimentos. O estudo permitiu prever parâmetros de desempenho como consumo específico, avanço de ignição otimizado, duração de combustão, razão de compressão, pressão média indicada, eficiências mecânica e térmica, com desvios médios de 4-6% em relação ao experimento, mostrando melhor aplicabilidade a cargas iguais ou superiores a 50%. Em relação às emissões, o modelo captou corretamente tendências globais, ainda que com subestimativa dos valores absolutos: ( 37%) para NO, (-86%) para HC e cerca de (-4000%) para CO. Foram simulados também os comportamentos o do motor para uso com gás natural (GN), hidrogênio (H₂) e com misturas de GLP+H₂ e GN+H₂ nas proporções de 10%, 20% e 30% de H₂. Estas simulações, por sua vez, previram os melhores ajustes nos tempos de avanço de ignição e da duração da combustão, bem como as variações de pressão, de temperatura, de calor liberado e de eficiência térmica. Para cada 10% de adição de H₂, verificam-se os aumentos do poder calorífico inferior (PCI) em cerca de 16%, da razão ar combustível em perto de 5%, da velocidade de chama em aproximadamente 12%, considerando razão de equivalência (φ=1) e redução da densidade em 10%. Em outra mão, as misturas de GLP+H₂ apresentam maior pressão média indicada (IMEP), maiores torque e potência, enquanto as misturas GN+H₂ apresentam maior eficiência térmica indicada e menores emissões específicas. Os resultados mostraram aumento de NO (33-47%) e discreto acréscimo de CO (0,1-0,2%), com redução de HC (até 21% no GN+H₂ e 18% no GLP+H₂). Observou-se ainda que a combustão de GN e GN+H₂ geram em torno de 2% a 4% mais NOx do que GLP e GLP+H₂. Em termos de viabilidade estritamente técnica, o estudo constatou que o GMG com GLP e misturas GLP+H2 e GN+H2 seria capaz de atender a todas as demandas analisadas, aumentando a eficiência do sistema.