Avaliação experimental da eficiência isentrópica de um expansor tipo scroll
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Tipo de produção
Dissertação
Data
2017
Autores
Fanti, Gabriel Rossi
Orientador
Mello, Paulo Eduardo Batista de
Periódico
Título da Revista
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Citação
FANTI, Gabriel Rossi. Avaliação experimental da eficiência isentrópica de um expansor tipo scroll. 2017. 84 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2017. Disponível em: . Acesso em: 15 ago. 2018.
Texto completo (DOI)
Palavras-chave
Energia Armazenamento,Eficiência isentrópica,Ciclo rankine orgânico
Resumo
Diversos autores apontam para o crescimento na demanda de energia no mundo nos próximos anos, onde a energia elétrica representa uma parcela significativa desse crescimento. Visando suprir esse aumento na demanda mundial, há grande interesse na otimização da utilização da energia disponível e na geração de energia limpa. Dentro deste escopo, duas tecnologias se destacam: o Ciclo Rankine Orgânico (ORC) e o sistema de Armazenamento de Energia por Ar Comprimido (CAES). Ambas apresentam adequação à geração de energia em
pequena escala ou descentralizada. Como a máquina de expansão possui grande influência na eficiência global de um dado ciclo de geração de potência, esta deve ser cuidadosamente escolhida. Diversos estudos apontam para o potencial uso da máquina de expansão do tipo scroll em ciclos de geração de potência de pequena escala. Sendo assim, visando ampliar os resultados experimentais da literatura, o presente trabalho tem por objetivo avaliar o desempenho de um expansor scroll operando com ar comprimido como fluido de trabalho. Para tal, um protótipo
foi projetado, fabricado, montado e ensaiado. Foram realizados diversos ensaios e foram levantadas as curvas de potência gerada e eficiência isentrópica em função da relação de pressões. Ao final dos experimentos, o protótipo foi capaz de gerar 1043 W quando testado a 2114 rpm com relação de pressão de 3,9. A eficiência isentrópica apresentou pico de 29%, abaixo do esperado. O maior causador do baixo rendimento foram os vazamentos internos, sobretudo provenientes das folgas tangenciais. Observaram-se vazões volumétricas elevadas ao
longo dos experimentos, fato esse evidenciado pelos valores igualmente altos do fator de preenchimento. Os resultados experimentais permitem concluir que as folgas internas do protótipo devem ser reduzidas para a melhoria da eficiência do dispositivo.
Many authors mention that an energy demand increase is expected on the upcoming years, specially electrical energy. Aiming to comply with such a demand, there is a great interest in clean energy sources as well as in the optimization of current available energy use. Within this scope two technologies can be highlighted: the Organic Rankine Cycle (ORC) and Compressed Air Energy Storage (CAES). Both of them are suitable to small scale and decentralized power generation. As the expander of a given power generation cycle has great influence towards its global efficiency, it must be carefully chosen. Many studies point out to the potential of scroll machines to work as expander in small scale power generation cycles. Thus, in order to broaden the experimental results current available in the literature, this study aims to assess the scroll expander performance by using compressed air as work fluid. Several tests were performed and the respective curves of generated power and isentropic efficiency were plotted as function of pressure ratio. The prototype was able to generate 1043 W at 2114 rpm under a pressure ration of 3,9. Máximum isentropic efficiency was 29%, which is lower than expected. The main cause for low efficiency was the internal leakage, mainly caused by flank gap. High flow rates were measured during the tests, complying to high filling factors obtained. The experimental results showed that the inner gaps must be reduced in order to increase the efficiency of the expander.
Many authors mention that an energy demand increase is expected on the upcoming years, specially electrical energy. Aiming to comply with such a demand, there is a great interest in clean energy sources as well as in the optimization of current available energy use. Within this scope two technologies can be highlighted: the Organic Rankine Cycle (ORC) and Compressed Air Energy Storage (CAES). Both of them are suitable to small scale and decentralized power generation. As the expander of a given power generation cycle has great influence towards its global efficiency, it must be carefully chosen. Many studies point out to the potential of scroll machines to work as expander in small scale power generation cycles. Thus, in order to broaden the experimental results current available in the literature, this study aims to assess the scroll expander performance by using compressed air as work fluid. Several tests were performed and the respective curves of generated power and isentropic efficiency were plotted as function of pressure ratio. The prototype was able to generate 1043 W at 2114 rpm under a pressure ration of 3,9. Máximum isentropic efficiency was 29%, which is lower than expected. The main cause for low efficiency was the internal leakage, mainly caused by flank gap. High flow rates were measured during the tests, complying to high filling factors obtained. The experimental results showed that the inner gaps must be reduced in order to increase the efficiency of the expander.