Revisão dos Ciclos de Rankine Orgânico para Recuperação de Calor Residual de Motores de Combustão Interna: Última Década em Revisão

A última década (2013–2023) foi o período mais prolífico de pesquisa sobre ciclos de Rankine orgânico (ORC) na história, tanto em publicações quanto em citações. Este artigo fornece uma revisão detalhada da ampla e volumosa coleção de estudos recentes sobre recuperação de calor residual (WHR) de motores de combustão interna (ICE), servindo como um necessário complemento à revisão de 2013 do autor. Os esforços de pesquisa têm como alvo diversas aplicações (por exemplo, veiculares, estacionárias e baseadas em edifícios), abrangendo toda a gama de tamanhos de motores e combustíveis. Além disso, as configurações dos ciclos se estendem muito além do ORC básico e do ORC regenerativo, especialmente com ORCs supercríticos, trilaterais e de múltiplos laços. Uma atenção significativa foi atraída por refrigerantes de quarta geração, como HFOs (hidrofluoroolefinas), HFEs (hidrofluoroéteres), refrigerantes naturais e misturas zeotrópicas, à medida que a pesquisa migrava do popular HFC-245fa (hidrofluorocarbono). Em termos de desempenho, o período foi marcado por um crescente reconhecimento da diminuição do desempenho de sistemas físicos sob condições de fonte dinâmica, especialmente em comparação com simulações em estado estacionário. Através de avanços no controle de sistema, especialmente usando controladores preditivos de modelo aprimorados, as perdas baseadas em dinâmica foram significativamente reduzidas. Em relação a investigações voltadas para a prática, os esforços de pesquisa têm melhorado os riscos de inflamabilidade do fluido de trabalho, limitado a degradação térmica e buscado economias de custos. Projetos de sistema de ponta e metas operacionais emergiram por meio de esforços de otimização cada vez mais sofisticados, com alguns estudos aproveitando “big data” e inteligência artificial. Programas importantes, como o SuperTruck II, estabeleceram ainda mais os desafios contínuos de atender simultaneamente às metas de custo, tamanho e desempenho; no entanto, sistemas de ciclo de Rankine orgânico prontos para uso estão disponíveis hoje para recuperação de calor residual de motores, sinalizando uma penetração inicial no mercado. Avançando, motores de próxima geração podem ser projetados especificamente como ciclos de topping para um ciclo de Rankine orgânico (bottoming), com ambas as fontes de energia integradas em trens de força híbridos avançados.