Análise da utilização de geradores termoelétricos na recuperação de calor residual de exaustão em um motor de combustão interna

Abstract

Os motores utilizados hoje na maioria dos veículos automotivos são conhecidos por terem rendimento particularmente baixo, entre 20 e 35%. Logo, se faz necessário o desenvolvimento de tecnologias que permitam melhorar este desempenho. A recuperação de calor residual é um dos meios mais promissores de alcançar esta melhoria, visto que cerca de 40% da energia do combustível é descartada como calor nos gases de exaustão. Os geradores termoelétricos têm destaque no campo da recuperação de calor, pois permitem converter energia térmica diretamente em energia elétrica. Neste trabalho, uma modelagem termodinâmica de uma unidade de recuperação de calor foi desenvolvida para conceber um sistema simples que possa ser implementado na indústria automotiva. Tal unidade foi projetada para ser acoplada ao sistema de exaustão de um motor de combustão interna, automotivo bicombustível, cujos dados foram obtidos através de uma parceria com a FCA – FIAT CHRYSLER Automóveis Brasil, com o objetivo de analisar as vantagens de tal sistema. Os materiais escolhidos para os geradores foram os semicondutores Yb14MnSb11 (tipo p) e Si80Ge20 (tipo n) respectivamente. A modelagem foi realizada com o auxílio dos softwares EES e Wolfram Mathematica, permitindo a simulação do dispositivo e a avaliação de seu desempenho. O sistema consiste na utilização de trocadores de calor compactos que utilizam os gases de exaustão como fonte quente e o fluido de arrefecimento do motor como fonte fria. A análise mostrou que para o caso de máxima potência gerada, apesar do baixo rendimento (5,7%) apontado como principal desvantagem destes geradores, foi obtida uma fonte de energia elétrica de cerca de 2,3 kW, mais alta do que outros estudos presentes na literatura têm obtido. Esta alta potência gerada se deve principalmente às temperaturas dos gases serem bastante elevadas, da ordem dos 900 °C. A energia elétrica gerada poderia ser reaproveitada de diversas maneiras, incluindo em dispositivos elétricos no veículo ou ainda ser redirecionada para alimentar a bateria.