N O P Q Z \

Transcrição

1 ! " # $! %'! ()*) ( +, -!+1 4* !:; 9*1-9 <*4* 9*= >*? 9@ 9BA - *C 7 6 D@ 6 EBF < F A F A9G1-9*1 9H IJKL!M*+ F L F C*,'H IJKL N O Q R@SGT@U V@WXS Y@Z R@[ Z \ ] ^ ^ ` a ^ b c d eg^ ` f Cogeração, Energia Elétrica, Gá Natural, Refrigeração por Aborção gf b h ij Ete trabalho realiza um etudo energético em uma planta de cogeração que erá intalada em k l m n n*o p q r, em Salvador Ee hopping center foi projetado para atender a demanda térmica e produzirá 8, MWe de potência elétrica e 6,4 MWt de energia térmica que erá utilizado pelo r l o v v k de aborção na climatização do k l m n n@o p g, aproveitando o calor reidual da planta Do 8, MWe de energia elétrica gerada, 1, MWe erá conumido no chiller de compreão, ajudando na climatização do k l m n n*o p q A análie termodinâmica motrou que a eficiência da planta é de 47 %, portanto, cerca de 5 % da energia útil (exergia) que entra no itema com o gá natural é detruído na planta de cogeração w x y z { } ~ } A recente intabilidade no fornecimento de energia elétrica juntamente com a reetruturação do etor elétrico e a expectativa do governo em aumentar a participação do gá natural na matriz elétrica braileira têm favorecido a dicuão e a poibilidade de e implantar planta de cogeração no paí, apear da baixa tarifa de energia elétrica e preço não atraente do gá natural e equipamento neceário na implantação da planta de cogeração, que ão importado Cogeração é a produção imultânea de energia elétrica e energia térmica de um memo combutível, que pode er gá natural, óleo dieel, bagaço de cana dentre outro Em emprea do etor terciário, como k l m n n@o p q r, a energia térmica, que etá preente no gae de exautão, pode er utilizado na produção de frio atravé de chiller de aborção Com io o conumo da máquina de refrigeração para climatização deixa de er proveniente da energia elétrica para er proveniente da energia térmica preente no gae de exautão, além de deixar de uar refrigerante que agridem a camada de ozônio No Brail, a tecnologia cogerativa tem ido mai empregada no etor indutrial para produção de vapor de alta qualidade e energia elétrica A emprea do etor terciário tem quantidade menore de planta de cogeração, apear de er mai imple, quando comparada a plantatilizada no etor indutrial, poi o vapor neceário ao proceo é de baixa qualidade Atualmente o que favorece a utilização da tecnologia cogerativa é que ua implantação favorece a decentralização na geração e ditribuição de energia elétrica e expande ua oferta, diminui a neceidade de invetimento na geração hidrelétrica, que exige a imobilização de recuro uperior ao da cogeração, poterga a derrubada de mata e floreta para contrução de barragen na contrução de hidrelétrica, além de pouir um prazo de operação menor em relação a hidrelétrica or outro lado ainda tem-e o T rograma rioritário de Termoelétrica que objetiva aumentar a participação do gá natural na matriz energética braileira de,8% para 1% até 1 No entanto, o baixo preço da tarifa de energia elétrica com o alto preço da tarifa do gá natural (e ua indefinição quanto ao preço futuro) e o elevado preço do equipamento a erem importado para implantação da planta cogerativa ão fatore que podem inviabilizar a contrução dee empreendimento No entanto a implantação de política compenatória como garantia de um preço de tarifa de gá adequada a realidade braileira, preço de tarifa de energia elétrica que poibilitem ganho financeiro a ee invetimento, garantia de venda da energia elétrica produzida e ubídio para o equipamento ão algun incentivo que o governo poderia viabilizar para incentivar a intalação de planta de cogeração no paí Diante dee contexto torna-e neceário o etudo energético e econômico em planta de cogeração para auxiliar a tomada de decião quando deeja-e invetir nee tipo empreendimento, poi ee etudo permitem motrar a viabilidade tecno-econômica dea planta Além dio, uma análie energética permite o direcionamento no uo mai racional da fonte energética, redução no cuto de operação e na emião de poluente preente no gae de exautão Ee trabalho realizou um etudo energético numa planta de cogeração que erá implantada em um hopping center da cidade de Salvador Ea planta produzirá 8,MWe de potência elétrica e 6,4MWt de energia térmica que erá utilizado no chillere de aborção para proporcionar o conforto térmico ao hopping A figura I abaixo motra o diagrama fíico da planta de cogeração, coniderando apena a parte térmica E logo em eguida a tabela I apreenta a condiçõe do fluido em divero ponto da planta

2 v v v v Figura I Fluxograma do Sitema de Cogeração do k l m n n@o p q r na cidade de Salvad TABELA I Decrição do fluído juntamente com a vazão máica e a temperatura relativo a figura 1 que vem logo a eguir onto Decrição Temp ( C) (kg) 1 Comb 5,649 Gae 55, 15,97 Gae 158,5 15,97 4 Gae 11, 15,97 5 Liq Sat 1,,56 6 Liq Sat 91,4,56 7 Liq Sat 44,9,5 8 Liq Sat 4,,5 9 Liq Sat 96, 49,1 1 vapor 175, 1,44 11 Liq Sat 95, 1,44 1 Liq Sat 8,5 49, 1 Liq Sat 1, 18,8 14 Liq Sat 7, 18,8 15 Liq Sat 7,5 41, 16 Liq Sat, 41, 17 Liq Sat 1, 195, 18 Liq Sat 7, 195, 19 Liq Sat 7,5 7, Liq Sat, 7, 1 Liq Sat 9, 49,1 Liq Sat 95, 1,6 Liq Sat 8,5 49,1 x 'y y O etor terciário tem a caracterítica de er heterogêneo tanto do ponto vita da dimenão fíica quanto da finalidade, podendo er prédio público ou comerciai hotéi aeroporto, centro de educação, entre outro [1] A finalidade da cogeração nee empreendimento podem er iluminação, cocção, anitarização, climatização de ambiente dentre outro Quando a finalidade é, baicamente, iluminação e climatização têm a produção de eletricidade e frio, onde o frio é gerado a partir de um ciclo de aborção que ubtitui o ciclo de compreão O ciclo de aborção é imilar em certo apecto ao ciclo de compreão de vapor Como principai vantagen do Ciclo de Refrigeração por Aborção tem-e uma baixa potência elétrica requerida, poi o trabalho do compreor do ciclo de compreão de vapor é ubtituído pelo gerador de calor, aborvedor e uma bomba de baixa potência, diminuindo aim o cuto operacionai [] Segundo Andeyevich[] exitem dua poibilidade de concepção para projeto de cogeração para k l m n n*o p q r k O primeiro conite no emprego de turbina a gá que produz energia elétrica e gae de exautão com temperatura entre 45 a 55 C O gae de exautão pode er utilizado em uma caldeira de recuperação cujo vapor gerado é utilizado no r l o v v de aborção ou podee uar uma máquina de aborção diretamente, o que dipena a intalação da caldeira Ambo produzem água gelada para climatização A outra poibilidade conite no emprego de motore alternativo (ciclo Otto ou Dieel) no lugar da turbina a gá, que difere da turbina a gá na diponibilidade de energia térmica por quilowatt gerado preente no gae de exautão e na diponibilidade de calor preente na água de refriamento do motor Dentre a configuraçõe de planta de cogeração exitem r Gr r Gr dua que ão báica, a t m n n@o p q e m t t m o p q Quando uma planta gera eletricidade a alta preão e temperatura e o rejeito térmico é utilizado para fin de aquecimento de um dado proceo ou em um equipamento, tem-e uma configuração t m n n*o p q Quando um proceo demanda calor a alta temperatura endo o rejeito térmico utilizado com inumo de uma planta de potência, tem-e um exemplo de m t t m o p q r r A ecolha da configuração adequada de uma planta de cogeração depende da relação eletricidade calor (trabalhocalor) e pode er exemplificado pela figura II abaixo Figura II Exemplo de ecolha da configuração de uma planta de cogeração baeado na relação eletricidadecalor Segundo Nebra [4], a figura acima pretende er um reumo para ecolha de um projeto de cogeração No eixo do y etá indicado o valor da relação potênciacalor requerida pelo o itema, enquanto no eixo x foi colocado o fluxo de calor diponível no itema ecolhido or exemplo e um itema neceita de uma alta produção de energia elétrica em relação à energia térmica requerida, r Gr ágina 6

3 r 1 ' G 5 Q Q H ; k pela figura II, oberva-e que a opção mai adequada ão o motore alternativo, e depoi a turbina a gá em ciclo combinado A turbina a gá com caldeira de recuperação e ituam numa faixa intermediária O itema de vapor ão adequado para requerimento alto de energia térmica comparado à energia elétrica A faixa adequada etão indicada no diagrama A tabela II, abaixo, motra a principai caracterítica da turbina a vapor, turbina a gá e motor or exemplo, o motore de combutão interna apreentam, como vantagen, elevado rendimento elétrico, bom comportamento a carga parciai e em operação intermitente, e uma diveridade de potência em oferta no mercado (1 kw até MW) A devantagem reide na dificuldade do maior aproveitamento da energia térmica reidual, que e apreenta dividida entre o gae de exautão e a água de arrefecimento limitando ua utilidade à produção de água quente e vapor de baixa preão TABELA II Caracterítica da turbina a vapor, turbina a gá e motor [4] Critério Turbina a vapor Turbina a gá Combutível Todo tipo Líquido e gaoo Manutenção Cada 4 hora Tempo de partida Qualidade da energia térmica Carga parcial eríodo de contrução Cada 4 hora Motor Líquido e gaoo Cada 8 hora alto médio baixo Vapor 1 C Calor latente Bom comportamento Gae 4 6 C Calor enível Baixa eficiência - ano,75 a ano Vida útil 5 5 ano 15- ano x { G~ } z { } ~ z { ~ '} } Gae 5 C + água quente Calor enível Bom comportamento,75 a ano 15 5 ano O preente artigo realizou um etudo energético, baeado na 1 a e a lei da termodinâmica, em uma planta de cogeração que erá implantada em um hopping center na cidade do Salvador A planta foi projetada para atender a demanda térmica endo produzido 8, MWe de potência elétrica e 6,4MWt de energia térmica, utilizando r l o v v de aborção, aproveitando o calor reidual da planta, para a climatização do hopping Do 8,MWe de energia elétrica gerada, 1,MWe erá conumido no r l o v v de compreão, que ajudará na climatização do hopping No itema de cogeração analiado, gá natural entra no motor produzindo energia elétrica arte da energia térmica contida no gae de exautão e no motore ão utilizado na produção de água quente e vapor A água quente produzida erá utilizada no r l o v v de imple etágio e o vapor erá utilizado no r l o v v de duplo etágio Com io o produto final da planta é a energia elétrica e a capacidade de refriamento produzida pelo l o v v k de aborção O etudo energético, do preente artigo, combinou a primeira e egunda lei da termodinâmica permitindo, aim, que e etabeleça o balanço de exergia (máximo trabalho que um itema pode realizar ao evoluir do etado em que e encontra até entrar em equilíbrio termodinâmico com o meio) x wz ~ w ~ } ~ z A análie de 1a de primeira Lei erá realizada uando a definição de eficiência energética que avalia a razão entre a energia aproveitada pelo itema e a energia que entra no itema: + η! " = (1) # $ # % Onde é o trabalho elétrico produzido pelo motor, é o calor utilizado pelo ( ) * + +, - de aborção e que erá calculado por: = ( ) 1 ( 9 1 ) 1 ( 1 ) : 4 é a energia fornecida ao itema pelo combutível A eficiência omente do motor é dada B η > = B = C = 4 () < = >? A eficiência térmica, erá: η M N O = DE F (4) I J K L A eficiência do evaporador + economizador é calculado por: = 1 η R S T U *1 (5) E para o economizador II: () ágina 6

4 [ $ 7 7 [ 6 # 6 Z Y Y b ` i Ž ~ e z Ÿ a Œ ž d Œ a c c ^ ] ] = η *1 (6) 4 ara análie de 1 a lei do de aborção é uado o coeficiente de deempenho, CO ASHRAE (1): = (7) + ara o duplo etágio, tem-e:!" 1 ( 1 = 11) (8) %'( )* 17 ( 17 # = 18 ) (9) +, - + (1) E para o imple etágio: 8 9 :; 9 ( 9 6 = 1 ) (11) 8': 1( 1 6 = 14 ) (1) +, - + (1) < =>@?BADC EFGHBI HJ> K@LMH F I KBNMH O RQ I FADS RFT K A análie de a de lei da termodinâmica é realizada atravé da análie exergética Exergia pode er definida como o máximo de trabalho que pode er realizado por um itema ou um fluxo ara Rant, exergia é a parte da energia que pode er completamente convertida em qualquer outra forma de energia [5] Exergia pode er criada ou detruída, ao contrário da energia, o eu conumo é proporcional a entropia gerada devido a irreveribilidade aociada ao proceo Com io, a análie exergética poibilita uma avaliação mai próxima do real poi ela quantifica a energia que pode er tranformada em trabalho e quanto é aproveitado pelo itema or exemplo, 1 kw de energia elétrica tem a capacidade de gerar, aproximadamente, 1 kw de trabalho, além de poder er convertido em qualquer outra forma de energia, o que não acontece com 1 kw de água quente que tem capacidade inferior de produzir trabalho (exergia) Matematicamente a exergia é dada por: W X = + W X UV (14) O doi primeiro da equação anterior referem-e a exergia fíica, por exemplo fenômeno que envolvam mudança na temperatura do itema, variação de energia potencial ou cinética, dentre outro O terceiro termo refere-e a exergia provocado por fenômeno químico ou a fenômeno que envolvam variação na compoição A expreõe para o cálculo da exergia química do gae de exautão e água (líquida e vapor) podem er encontrada em Szargut [5] A variação de exergia em um proceo etacionário pode er exprea por: = d ` ` 1 \ (15) O doi primeiro termo do egundo membro repreentam o omatório da exergia que entra e ai do volume de controle O terceiro termo repreenta a exergia do calor, que é tranferido para o ambiente a temperatura contante T O último termo repreenta o trabalho mecânico de ou para o volume de controle A eficiência exergética do motor é dada por: jlkmk εn o po q = frgjh *1 (16) * * ϕ r@ t u é o fator que corrige o CI para e obter a exergia do combutível [6] A eficiência (exergética) térmica fica: ε { }~ = (17) vw x y ˆ E a eficiência global do itema: Š + ε = (18) ƒ Onde repreenta a exergia do calor utilizado pelo chiller e, nee trabalho, erá repreentado por: = ( 1 ) + ( 9 1) + ( 1) (19) œ š 1 1 a exergia que entra no itema pelo combutível A diferença entre o numerador e denominador é chamado de irreveribilidade que podem er interna ou externa e repreenta a energia que poderia er tranformada em energia elétrica eou trabalho ma é detruída pelo itema Matematicamente a irreveribilidade têm o eguinte formato: = () O primeiro termo repreenta o acrécimo de entropia no itema e o egundo termo o fluxo total de entropia térmica para dentro do volume de controle a partir de um reervatório de calor que etá a uma temperatura (Tr) Logo abaixo, encontra-e a tabela com a propriedade termodinâmica de cada fluido decrita na figura I A exergia química água foi calculada a partir da relação fornecida por Szargut[5] e poui valor igual a 65,88kJkg e a exergia química do gae de exautão, obtido pelo memo procedimento, valor igual a 84,4 kjkg A eficiência de a lei do evaporador + economizador I pode er calculado por: ágina 46

5 = 1 ε *1 (1) E para o economizador II = ε *1 () A análie de egunda lei para o chiller fica: 4 ε = *1 () combutível e uma maior produção de energia elétrica e frio para o : ;=< > :? em etudo A próxima etapa dee trabalho erá realizado um etudo mai detalhado do < 6 9 A A 5 de aborção, o que não foi realizado nee artigo por inuficiência de dado Ma, com o dado atuai percebe-e que o < 6 9 A A 5 pouem a menore eficiência exergética, ou eja, é o maior detruidor de trabalho do itema TABELA IV Reultado do cálculo de eficiência η ε motor 41, 9,5 térmica,6 7,5 Evaporador 89,4 6,6 +ECO I ECO II 9,4 51,4 global 7,8 47, TABELA III Decrição da propriedade termodinâmica do fluido da figura I onto h (kjkg) -(kjkg) ex (kjkg) 1 - -,76 418,9-59,1 179,4-14,1 4 1, - 11, ,9 1,1 98,1 6 8,8 1,1 91, ,9,64 68, ,4,57 67,6 9 4,4 1,7 95, ,6 6,6 874, ,9 1,5 94,17 1 6,9 1,8 8,88 1 5,4,18 67, ,4,11 68, ,1,54 66, ,1,46 66,9 17 5,4,18 67, ,8,168 68, ,1,588 66,977 14,1,464 66,9 1 86,57 1,191 9,7 15,,716 7,69 6,98 1,81 8,88! " #%$ ' ( ) * +, -$, 1 ( ' 4, " A tabela, IV e V a eguir, motram o reultado com a eficiência de 1 a e a lei da termodinâmica calculado a partir da propriedade que etão na tabela III ercebe-e que a eficiência global de 1 a lei é de 7,8 % ma a eficiência de a lei é de 47 % Ee reultado motra que 5 % da capacidade de gerar trabalho da energia que entra no itema é perdida ou detruída no proceo, o que não é contabilizada pela 1 a lei Com io, percebe-e que um aumento na eficiência exergética levaria a uma utilização mai racional do B C D E E F G H TABELA V Reultado do cálculo de eficiência para o de aborção Equipamento CO real ε racional (%) Chiller imle etágio,7 5,55 Chiller duplo etágio 1,,77 Tabela VI Ditribuição da energia e exergia fornecida ao itema Fornecida pelo combutível Vapor e água quente Energia elétrica Gae de exautão erda externa Detruição ou perda interna Energia Exergia % % (kw) (kw) Energia Exergia ,7 7, ,1 9, ,9 7, ,, ,1 A tabela VI, acima, motra a ode-e perceber que 4,1 % da exergia é perdida internamente ou detruída e 1, ão perdida externamente, totalizando 5,4 % I " #%$ J $ K L 1 M * ONM Q ( M, R K S J M * [1] Tolmaquim, M T; Szklo, A S, Soare, J B, Economic potential of natural gá fired cogeneration plant at mall in Rio de Janeiro, 1, Energy Converion and Management, No4, pp [] Varani, CMR, 1, Avaliação Energética e Exergética de uma Unidade de Refrigeração por Aborção ÁguaBrometo de Lítio Utilizando Gá Natural, Tee de Doutorado, UFB [] Andreyevich, S T, into, J H F, Shopping Center: motore ou turbina a gá? Eletricidade Moderna 1996, N 8, pp 8-89 ágina 56

6 [4] Nebra,A N, aletra minitrada no Curo de Epecialização em Engenharia de Gá Natural na UFBA [5] Szargut,J, Morri, DR, Steward, FR, 1988, Exergy Analyi of Thermal, Chemical, and Metallurgical roce, Hemiphere ublihing Corporation, New York [6] Kota, TJ, 1985, The Method of Thermal lant Analyi, Anchor Brendon Ltd, London ágina 66