3 Métodos Experimentais

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1 3 Métodos xerimentais 3.1 Descrição da célula de combustível testada xistem três rinciais comonentes de uma célula de combustível: o rocessador de combustível que extrai hidrogênio do gás natural ou roano, a ilha da célula que converte hidrogênio em eletricidade e a unidade de otência que converte eletricidade roduzida ela ilha em otência de alta qualidade que ode ser utilizada em casa. O rocessador é formado or dois comonentes: o reformador de combustível e a unidade de limeza do monóxido de carbono. O reformador transforma o gás natural em um gás rico em hidrogênio chamado reformado. m seguida, este reformado vai ara a unidade de limeza, onde o sistema reduz a quantidade de CO. Aós deixar o reformador, ele entra na ilha, que é comosta de várias células ara roduzir otência (kw). Posteriormente, o inversor transforma alta tensão DC em volts AC. As dimensões médias desta unidade são 84 X 3 X 68, como vista na Fig. 9 a seguir. Figura 9: Módulos de uma célula de combustível. Os módulos da célula de combustível são:

2 6 1. Módulo de Processamento do Combustível converte gás natural em hidrogênio.. Módulo de Geração de Potência combina hidrogênio com ar ara criar uma otência de corrente contínua (DC). 3. Módulo letrônico de Potência converte a otência de corrente contínua em otência de corrente alternada ara uso em alicações residências ou comerciais. 4. Módulo de stocagem de nergia garante a continuidade de otência durante as mudanças do sistema. 5. Módulo de Gerenciamento érmico otimiza o desemenho do sistema e fornece calor ara uso da célula. abela 6: Informações Gerais Características do roduto axa de Potência Contínua Potência de saída 5C 5 kwe (9kWt),5 5 kwe (3-9 kwt) Desemenho Voltagem 10/40 60 Hz Qualidade da Potência I 519 NOx < 1m missões SOx, 1m Ruído < 60 1metro Condições de Oeração Instalação Instalação elétrica Combustível xterna Corrente em Paralelo Gás Natural

3 63 Combustível Ar Água letricidade AC Calor Processador de combustível Geração de eletricidade Bateria Figura 10: Sistema integrado. Prox Reator Princial Assorador AO Filtro AO Figura 11: Processador de combustível.

4 64 Figura 1: Geração de eletricidade usa hidrogênio reformado ara roduzir eletricidade (corrente DC). Figura 13: Bateria. O inversor aresenta as seguintes funções: Converte a corrente que sai da ilha da DC ara AC; Fornece eletricidade auxiliar; Fornece isolamento entre a ilha e a conexão AC; Fornece um sistema de controle de todas as estatísticas elétricas incluindo a tensão e a corrente da ilha.

5 65 3. Potencial da Cogeração A célula de combustível instalada na PC-Rio ossui a caacidade de gerar calor ara a cogeração. ste calor é roduzido ela ilha (conjunto de 88 células de combustível) e elo reformador de gás natural, durante a reforma. Quando um sistema ara o aroveitamento desta energia térmica ara cogeração não está instalado, um radiador rejeita calor ara a atmosfera. Com a instalação de um sistema de cogeração ara o aroveitamento da energia térmica, esera-se que a eficiência do sistema de célula de combustível (ilha e reformador) aumente sem que o sistema seja afetado. Figura 14: O esquema da cogeração na célula de combustível. A Fig. 14 mostra um esquema básico da célula de combustível e dos trocadores de calor. A ilha rejeita calor que é aroveitado através da circulação de óleo térmico e rejeitado no trocador HX. O calor nesse trocador de calor é

6 66 liberado ara um circuito de roileno glicol e rejeitado no trocador HX3, onde se aroveita a energia ara a cogeração. A água da cogeração, aós ser aquecida, assa or um radiador com ventilador, de modo que ossa haver uma dissiação da energia térmica, caso a água quente não ossa ser utilizada. sta assa ara um tanque de armazenamento e a seguir, or uma bomba, que romove sua circulação. m medidor de vazão é usado ara controle. O calor roveniente da reforma do gás natural é liberado no trocador HX1, que contribui ara a energia de cogeração. odos os trocadores de calor são de corrente cruzada com fluidos misturados. A célula de combustível ossui um relé de estado sólido, que é ligado quando está disonível a cogeração, assim ode ser ligada uma bomba, circulando a água. ambém foi instalada uma chave contadora ara que seja ligado o ventilador do radiador. Para o aroveitamento da energia da cogeração, construiu-se um sistema com uma bomba de 184 W, um medidor de vazão, um reservatório e dois medidores de temeratura tio P100. A vazão de água é regulada ela válvula, aós a bomba. m radiador automotivo foi instalado, ara servir como sorvedouro de carga térmica. Assim, mediram-se as temeraturas de entrada e saída da água e a vazão de cogeração. A célula de combustível é um conjunto formado ela ilha, onde estão 88 células, o reformador, onde se rocessa a rodução de hidrogênio a artir do gás natural, e o inversor, que converte a corrente elétrica contínua, gerada ela célula em corrente alternada com 10 V. Na rodução de energia elétrica ela ilha, calor é gerado e recuerado através do trocador de calor HX. Por esse trocador, circula óleo térmico. No reformador, com a quebra da molécula do gás natural ara a rodução de hidrogênio, calor também é gerado e recuerado no trocador HX1, que é um trocador de corrente cruzada com roileno glicol e água. As trocas de calor que ocorrem nos trocadores HX1 e HX são aroveitadas no trocador HX3, que é o trocador utilizado ara o aquecimento de água na cogeração. Para as medidas de caacidade da cogeração da célula, serão utilizados um circuito de água, um radiador de automóvel e uma bomba d água. As temeraturas de entrada e saída da água no trocador HX3 serão medidas, bem como a vazão de água no hidrômetro. A vazão de água será regulada através de uma válvula de gaveta. O radiador funcionará como um sorvedouro de energia, reresentando o consumo de energia do usuário.

7 67 (a) Figura 15: (a) Caixa d água; (b) Instalação do hidrômetro. (b) (a) (b) Figura 16: (a) Bomba e (b) ntrada e saída da água da cogeração na célula de combustível.

8 68 Figura 17: O radiador como carga térmica. Figura 18: O ainel de disjuntores ara a bomba d água e ara o ventilador do radiador. Figura 19: O sistema de aquisição de dados. O otencial de cogeração da célula ode ser estimado calculando o calor rejeitado ela ilha e elo reformador, de acordo com os assos seguintes: ficiência térmica da ilha ( ), dada ela q. 4. Potência de saída DC. nergia química do hidrogênio ( H ) H. DC = (3) Calor rejeitado ara a atmosfera (Q rej ), q. 7. Vazão do gás natural ( ṁ gas ).

9 69 Poder calorífico inferior do gás (PCI). nergia química do gás ( gas ).. gas = m gas. PCI (33) gas Porcentagem da energia química do gás usada na energia elétrica que sai da célula ( G ), dada ela ab. 11. Porcentagem da energia química do gás rejeitada ela ilha em forma de calor ( ilha ). Qrej ilha = (34) gas ficiência de conversão ( C ). Percentual da energia química do gás erdida com a conversão DC/AC e auxiliares ( aux ). ( ) DC aux = 1 C gas. (35) Percentagem da energia química do gás rejeitada elo reformador como ref calor ( ). ref = 1 (36) G ilha aux Porcentagem da energia química do gás que ode ser usada em cog cogeração ( ). = (37) cog ilha ref 3.3 Simulação da cogeração Nesta seção, será mostrada a simulação de cogeração da célula de combustível.

10 70 Como foi exlicado anteriormente, a célula está instrumentada com sensores de medidas de temeratura e vazão de gás natural. ntretanto, não se conhece a comosição, a vazão dos gases, a vazão do óleo térmico que circula na ilha, a vazão de roileno glicol no circuito de resfriamento da célula e nem a vazão de água dos diversos circuitos do reformador e das diversas etaas de reforma do gás natural. ntão, baseando-se no balanço de energia com a equação da rimeira lei da termodinâmica e nas equações de transferência de calor, e dados medidos durante a oeração da célula de combustível, formou-se um sistema de equações ara a simulação da cogeração. Nesta simulação, foram calculadas as vazões de água no reformador e na cogeração, de roileno glicol e óleo térmico no interior da ilha. As equações de conservação de massa e energia e as equações de transferência de calor ara trocadores de calor considerando-se a efetividade de cada um, odem ser escritas como: rocador HX 1: m& whca (b a ) = m& c (c d ) (38) ε HX1 m& = m& wh c c a ( ( a a c b ) ) (39) rocador HX : Q & = m& c ( ) (40) st o o g f m& c ( d e ) = m& o c o ( g f ) (41) ε HX m& = m& o c c o ( ( f f g d ) ) (4) rocador HX 3: m& aca (i j) = m& c (c e ) (43)

11 71 m& aca ( j i ) ε HX 3 = (44) m & c ( ) e i Nas equações acima, c a, c e c o, são os calores esecíficos da água, roileno m& glicol e do óleo térmico, resectivamente; a m&, m&, o m& e wh são as vazões mássicas da água da cogeração, do roileno glicol, do óleo térmico e da água no umidificador, resectivamente; resectivos trocadores de calor e ela ilha. ε HX1 Q & st, ε HX ε e HX 3 são as efetividades dos é a arcela de calor liberada ao óleo térmico No Anexo II iremos aresentar os resultados do balanço de massa ara o trocador de calor HX3, onde: C r C. m c q mín, q = =. (45) Cmáx m f c, f q máx = C ) (46) mín ( q, e f, e 3.4 Conversão de combustível quação geral ara conversão de combustível: Considerando-se a variação da conversão de combustível do reformador de vaor (SR) ara a oxidação arcial (PO), utilizou-se uma equação geral ublicada ela ANL (Laboratório Nacional de Argonne) que descreve essa conversão. A equação geral é: C n H m O x(o 3.76N ) (n x )H O = nco (n x m/)h 3.76xN (47) onde x é a razão molar de oxigênio or combustível. A comosição molar do gás e o número de moles de hidrogênio odem ser encontrados nos Anexos I e II, resectivamente.

12 7 3.5 Descrição das grandezas medidas e dos instrumentos A célula tio PM de 5kW foi fabricada ela Plug Power. O modelo é totalmente instrumentado. Possui sensores de temeratura, ressão, tensão e corrente, sendo todos os dados medidos a cada minuto e armazenados em um comutador. Para o estudo em regime ermanente, os valores médios de todas as grandezas, como a taxa de vazão volumétrica e a otência de saída, são medidas. A ilha da célula e a unidade de controle do reformador (SARC) fornecem informações através de uma variedade de sensores. Foi utilizado um hidrômetro, ara a medida de vazão de água, e dois P 100 ara as medidas de temeratura de entrada e saída de água da célula de combustível. Os dados de temeraturas foram lidos através de um multímetro HP, num rograma indeendente do rograma da célula de combustível. 3.6 Desemenho A célula de combustível é uma tecnologia relativamente nova. Pouco se conhece sobre sua vida em oeração e eficiência em alicações residenciais. A eficiência oscila na faixa de 34-40%. Para roteger sua oeração, a célula ossui alguns sistemas de roteção que a desligam automaticamente (ver Anexo III). 3.7 Incerteza de medição As variáveis medidas nesta exeriência foram V exit, Stack DC Power, Average AC Power, FS Fuel Flow, H Stoich Calc, vazão de água da cogeração e suas temeraturas de entrada e saída. A incerteza absoluta de cada quantidade indeendentemente medida foi estimada como j. As medições são emregadas ara calcular resultados, r, ara este estudo. Com isso, iremos analisar como os erros nos x i s roagam-se no cálculo de r a artir dos valores medidos. m geral, R ode ser exresso matematicamente como r = r(x 1, X,...,X j ). Podemos reresentar a análise de incerteza através da equação:

13 73 r r r 1/ = [( X ) ( )... ( ) ] 1 X Xj (48) X 1 X X j r onde, X1 = (σ X1 ) 1/ (49) sendo σ o desvio adrão e X1 a metade da incerteza da medição. É comum no exerimento encontrarmos alguns valores medidos que extraolam a tendência dominante. stes valores odem ser, de fato, medições erradas, como odem também reresentar certo fenômeno físico de interesse. Por este motivo, estes valores que fogem à tendência dominante não odem ser descartados sem recorrer a um critério consistente ara sua eliminação. Para alicar o critério de Chauvenet ara eliminar valores duvidosos, em rimeiro lugar calcula-se o desvio médio e o desvio adrão do conjunto de dados medidos. O desvio de cada um dos ontos é comarado com o desvio adrão ara assim se eliminar os ontos duvidosos. Se diversos ontos extraolarem o critério-limite estabelecido, é rovável que o sistema de instrumentação seja inadequado, ou que o rocesso sendo medido seja extremamente variável. O critério de Chauvenet, então, fornece uma base consistente ara tomar a decisão de excluir ou não um dado de um conjunto de valores medidos. Para sua alicação, basta calcular a razão do desvio individual ara o desvio adrão, R, e comarar com um valor de referência, R 0. R 0 deende do número de medidas, enquanto que R é definida como: R = (xi x) / σ (50) O valor medido é rejeitado quando R > R o. Com a q. 4 da eficiência térmica da ilha ( ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: = V V exit (51) exit

14 74 Com a q. 6 da energia química do hidrogênio ( ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: H 1/ = DCPower H H DCPower (5) Com a q. 7 do calor rejeitado ( ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: Q rej 1/ 1 1 = DCPower rej Q rej DCPower Q (53) Com a q. 8 da eficiência do reformador ( R ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: 1/ = PCI V Vazão DCPower Razão PCI exit V H Vazão DCPower H Razão R exit H H R (54)

15 75 Com a q. 30 da eficiência térmica global da célula ( G ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: G ACPower = G ACPower gás gás 1/ (55) Com a q. 33 da energia química do gás ( gas ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: Vazão = Vazão PCI PCI 1 / H (56) gas H Com a q. 34 da ercentagem da energia do gás rejeitada ela ilha ( ilha ), obtivemos a equação de incerteza corresondente: ilha = Q Q rej rej gás gás 1/ (57)

16 76 Com a q. 35 do ercentual de energia química do gás erdida com a conversão DC/AC e auxiliares ( corresondente: aux ), obtivemos a equação de incerteza aux DCPower = DCPower ACPower ACPower DCPower ACPower gás gás 1/ (58) Com a q. 36 da ercentagem da energia química do gás rejeitada elo reformador como calor ( corresondente: ref ), obtivemos a equação de incerteza ref [ ] 1/ = (59) G ilha aux Com a q. 37 da ercentagem da energia química do gás que ode ser usada em cogeração ( corresondente: cog ), obtivemos a equação de incerteza [ ] 1/ cog ilha R = (60)

17 77 Com a q. 38 da quantidade de calor da cogeração (Q), obtivemos a equação de incerteza corresondente: ( ) ( ) 1/.. = e a a m e s c m c m c Q a S a a a (61)