INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES SECRETARIA DA INDÚSTRIA. COMÉRCIO. CIÊNCIA E TECNOLOGIA AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

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1 INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES SECRETARIA DA INDÚSTRIA. COMÉRCIO. CIÊNCIA E TECNOLOGIA AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO UTILIZAÇÃO DOS GASES RESIDUAIS DE UMA PLANTA HTGR - TURBINA A GÁS PARA DESSALINIZAÇÃO DA ÁGUA DO MAR DARIO ARTURO ALARCON HUNTER Dissertação apresentada ao Instituto de Pesquisas Energétias e Nuleares omo parte dos requisitos para obtenção do grau de "Mestre - Area de Reatores Nuleares de Potênia e Tenologia do Combustível Nulear". Orientador: Arfair José Gonçalves Faya São Paulo 1981

2 INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES SECRETARIA DA INDUSTRIA. COMÉRCIO. CIÊNCIA E TECNOLOGÍA AUTARQUIA ASSOCIADA Â UNIVERSIDADE DE SAO PAULO UTILIZAÇÃO DOS GASES RESIDUAIS DE UMA PLANTA HTGR - TURBINA A GÁS PARA DESSALINIZAÇÃO DA ÁGUA DO MAR Dario Arturo Alaron Hunter Dissertação apresentada ao Instituto de Pesquisas Energétias e Nuleares omo parte dos requisitos para obtenção do grau de "Mestre Área de Reatores Nuleares de Potênia e Tenologia de Combusti'vel Nulear". Orientador: Artur José Gonçalves Faya SÃO PAULO NST!! Ul O Dt; CLEARES

3 UTILIZAÇÃO DOS GASES RESIDUAIS DE UMA PLANTA HTGR - TURBINA A GAS PARA DESSALINIZAÇÃO DA AGUA DO MAR DARIO ARTURO ALARCON HÜNTER R E S U M O são analisados alguns aspetos termodinâmios de uma Usina HTGR- Turbina a Gás aoplada a um ilo Rankine para gerar potênia adiional e/ou água dessa 1 inizada mediante um evaporador tipo multiflash. Estudam-se três alternativas básias: a) Cilo Brayton om resfriamento intermediário e sem regeneraçio, aoplada om um ilo Rankine para gerar potênia e vapor para o evaporador. b) Mesmo que a) mas sem resfriamento intermediário, e om regen raçio. ) Cilo Brayton om regeneraçio, sem resfriamento intermediário, aoplada a um ilo Rankine para gerar vapor para o evaporador de água do mar. Determina-se o omportamento das diferentes estudo paramétrio das variáveis mais representativas. alternativas om um Na onepção das alternativas foram levados em onta aspetos g rais de eonomia, segurança e ontrole.

4 WASTE HEAT GAS UTILIZATION FOR HTGR GAS TURBINE PLANT FOR SEA WATER DESALINATION DARIO ARTURO ALARCON HUNTER S U M M A R Y A thermodynami analysis is performed for a HTGR - Gas Turbine Plant, oupled with a Rankine yle for additional power generation and/or desalination of sea water with a multistage flash evaporator. Three basi alternatives are studied: a) Brayton yle with inter-ooling and without régénérât ion,ou^ pled with a Rankine yle for power generation and steam for evaporator. b) Same as a) but without inter-ooling and with regeneration. ) Brayton yle with regeneration, without inter-ooling, oupled with a Rankine yle for sea water evaporator steam generation. The behavior of the three alternatives is established with a pa ametri study for the most representative variables. different Eonomy, safety and ontrol aspets were onsidered for the three oneptions.

5 Agradeimentos Quero expressar meu sinero agradeimento e reonheimento a todos a- queles que, direta ou indiretamente, olaboraram tanto na minha formaió aadêmia omo na exeução do presente trabalho. Em partiular, de^ sejo agradeer is seguintes instituições e pessoas:. Comissão Naional de Energia Nulear pela oportunidade ofereida.. Corpo Aadêmio do Instituto de Pesquisas Energétias e Nuleares pe Io seu ensino e formação.. "Comisión Chilena de Energia Nulear" por seu apoio onstante.. Prof. Dr. Artur José Gonçalves Faya pela valiosa e permanente olab ração e orientação na exeução do presente trabalho.. Analistas Rogério S. Bello e Gelson T. Otani do Centro de Proessamento de Dados do IPEN pela sua assessoria e apoio.. Colegas do Centro de Engenharia Nulear por sua disposição na troa de idéias, sugestões e disussões no deorrer do trabalho.. Srta. Iraema A. Kurokawa e Srta. Maria Zêlia S. de Albuquerque pelo trabalho de datilografia.

6 Í N D I C E 1 - INTRODUÇÃO, OBJETIVOS, ANTECEDENTES 1.1 Introdução Pãg Objetivo do Trabalho Pág O HTGR Pág CICLO FECHADO COM TURBINA A GAS 2.1 Histório do Cilo Fehado Pág Tópios Gerais do Cilo Direto HTGR-Turbina a Gás Pág Análise dos Fluidos Refrigerantes para um Reator a Gás em Cilo Direto om T.G. Pág k Comportamento dos Parámetros mais Importantes num Cilo Brayton Pág PLANTAS DE DESSALINIZAÇÃO 3.1 Generalidades sobre as Alternativas Pág Comparação das Alternativas Pág Aoplamento de Plantas Dessali nizadoras aos S st mas de Geração de Potenia Pág. 33 k - TERMODINÂMICA DA USINA NUCLEAR E DA PLANTA DE VAPOR AS^ SOCIADA ^.1 Considerações Pág. 35

7 Alternativas Analisadas Päg Aspetos Gerais dos Cilos Envolvidos Pãg. 36 k.k Equaionamento do Problema Pág. Al A.5 Dimensionamento do Gerador de Vapor Pág. 51 h.g Turbinas a Vapor om Contrapressio no Condensador Pág. 55 k.7 Proedimento de Calulo Pág RESULTADOS OBTIDOS 5.1 Alternativa A Pág Alternativa B Pág Alternativa C Pág UTILIZAÇÃO DA SALMOURA REJEITADA POR UMA PLANTA DESSA LIN IZADORA 6.1 Introdução 6.2 A Salmoura omo Fonte de Produtos Químios 6.3 A Salmoura omo Fonte de Agua Enriqueida em Deutério Pág. 75 Pág. 75 Pág CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Pág. 86 NOMENCLATURA USADA NO TEXTO Pág. 91 LISTA DE APÊNDICES Pág. 9^ REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Pág. 131

8 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Algumas Propriedades dos Gases a Pressio e Temperatura standard Tabela 2.2 Propriedades dos Gases a 565 C Tabela A.1 Evaporadores Multiflash de Grande Porte Tabela k.2 Parâmetros Usuais em Grandes Plantas de Dessa 1 i n i zação Tabela A.3 Coefiientes de Transferênia de Calor Tabela 6.1 Elementos em Soluçio na Agua do Mar de Salinidade 3,5% Tabela 6.2 Rejeição de Produtos Químios por Ano em uma Planta Evaporadora tipo flash Tabela 6.3 Balanço Material e Capaidade de Separação de uma Casa ta Ideal de Separação Tabela 7-3 Resumo Qualitativo dos Resultados Obtidos nas Diferen tes Alternativas, para os Parâmetros Indiados

9 LISTA DE FIGURAS Fig. 1.1 Requerimentos Aproximados de Agua para um Sistema de Resfriamento de Passo Onio. Fig. 1.2 Temperaturas de Operação dos Diversos Proessos Industriais. Fig. 2.1 Alternativas de Utilização dos Gases Residuais. Fig. 2.2 Trabalho Espeífio Líquido/Razão de Compressão, dos Dis^ tintos Gases no Cilo Brayton sem Regeneração. Fig. 2.3 Efiiênia Térmia/Razão de Compressão, dos Distintos Gases no Cilo Brayton sem Regeneração. Fig. 2.k Oueda de Pressão/Calor Adiionado no Canal, para Distin^ tos Gases. Fig. 2.5 Trabalho Espeífio de Bombeamento/Calor Adiionado no Canal, para Distintos Gases. Fig. 2.6 Efiiênia Térmia/Razão de Compressão, para Diferentes Efiiênias no Regenerador. Fig. 2.7 Efiiênia Térmia/Razão de Compressão, para Diferentes Temperaturas na Saída do Reator. Fig. 2.8 Efiiênia Térmia/Razão de Compressão, para Diferentes Temperaturas na Entrada do Compressor. Fig. 2.9 Temperatura do Hélio na Saída do Regenerador/Razão de Compressão, para Diferentes Efiiênias no Regenerador. Fig. 3.1 Evaporador Múltiplo Efeito de Dois Estágios

10 Fig. 3.2 Evaporador tipo Multiflash de Três Estágios. Fig. 3.3 Diagrama de Temperaturas da Salmoura num Evaporador Mu_l_ tiflash de Três Estágios. Fig. 3.4 Evaporador Tipo Multiflash de Infinitos Estágios. Fig. 3.5 Diagrama de Temperaturas da Salmoura num Evaporador Mu_l_ tiflash de Infinitos Estágios. Fig. 4.1 Esquema Modular das Alternativas Fig. 4.2 Esquema do Ciruito Primário do Hélio Fig. 4.3 Esquema do Ciruito Seundário do Vapor Fig. 4.4 Esquema da Alternativa A Fig. 4.5 Esquema da Alternativa B Fig. 4.6 Esquema da Alternativa C Fig. 4.7 Diagrama Temperatura/Entropia do Cilo Brayton sem Res_ friamente Intermediário,om Regeneração. Fig. 4.8 Diagrama Temperatura/Entropia do Cilo Brayton om Resfriamento Intermediário, sem Regeneração. Fig. 4.9 Diagrama Temperatura/Entropia do Cilo Rankine om Ger ção de Potênia. Fig Diagrama Temperatura/Entropia do Cilo Rankine sem Gera^ ção de Potênia. Fig Diagrama Temperatura/Entalpia para o Gerador de Vapor. INS 1 ITU IO E i.clears*.

11 pig. 5.1 Temperatura do Hélio na Entrada do G.V./Razio de Compressao, para Diferentes Efiienias no Regenerador. A_l_ ternativa A. Fig. 5.2 Temperatura do Vapor na SaTda do G.V./Razio de Compressio, para Diferentes Efiienias no Regenerador. Alternativa A. Fig. 5.3 Pressão de Vapor na SaTda do G.V./Razio de Compressão, para Diferentes Efiienias no Regenerador. Alternativa A. Fig. 5.4 Pressão de Vapor na SaTda do G.V./Razao de Compressão. Alternativa A sem Regeneração. Fig. 5.5 Fator de Ganho/Razão de Compressão, para Diferentes Ef_i_ iênias no Regenerador. Alternativa A. Fig. 5-6 Fator de Ganho/Razão de Compressão. Alternativa A sem Regeneração. Fig. 5-7 Temperatura do Hélio na Entrada do G.V./Razão de Compressão, para Diferentes Efiiênias no Regenerador. AJ_ ternativa B. Fig. 5-8 Temperatura do Vapor na SaTda do G.V./Razão de Compressão, para Diferentes Efiiênias no Regenerador. Alternativa B. Fig. 5.9 Pressão do Vapor na SaTda do G.V./Razão de Compressão, para Diferentes Efiiênias no Regenerador. Alternativa B. Fig Pressão do Vapor na SaTda do G.V./Razão de Compressão. Alternativa B sem Regeneração.

12 Fig Fator de Ganho/Razão de Compressão, para Diferentes EfJ_ ienias no Regenerador. Alternativa B Fig Fator de Ganho/Razão de Compressão. Alternativa B sem Regeneraçio. Fig Comparação do Cilo Brayton nas Alternativas A e B. Ef_i_ iênia Térmia/Razão de Compressao, para Diferentes Efiiênias no Regenerador. Fig Efiiênia Global/Razão de Compressão para Diferente V zão de Vapor pelas Turbinas. Alternativa B. Fig Fator de Ganho/Razão de Compressão, para Diferente Vazão de Vapor pelas Turbinas. Alternativa B. Fig Fator de Utilização/Razão de Compressão para Diferente Vazão de Vapor pelas Turbinas. Alternativa B. Fig Temperatura do Hélio na Entrada do G.V./Razão de Compressão para Diferentes Efiiênias no Regenerador. Alternativa C. Fig. 5-l8 Fator de Ganho/Razão de Compressão, para Diferentes Ef_i_ iênias no Regenerador. Alternativa C. Fig. 6.1 Calor Espeífio da Agua do Mar a 709F. Fig. 6.2 Elevação do Ponto de Ebulição para Diferentes Razões de Conentração da Agua do Mar. Fig. 6.3 Fator de Enriqueimento em Função da Reirulaçao e da Fração de Condensado. Fig. 7.1 Efiiênia Global/Razão de Compressão para as Três Alternat i vas.

13 Fig. 7-2 Fator de Ut i 1 i zação/razio de Compressão para as Três A_l_ ternati vas. Fig. 7.3 Ägua Produzida/Razão de Compressão, para as Três Aiternati vas. Fig. 7.4 Potênia Elétria Total/Razão de Compressão, para as Três Alternativas.

14 C A P Í T U L O 1 INTRODUÇÃO, OBJETIVOS, ANTECEDENTES 1.1 Introdução O resimento da população no mundo e a desejável melhora no nível de vida das pessoas, em partiular em países mais desenvolvidos, obviamente multipliará a demanda de reursos energétios nas próximas déadas. Contudo, só uma pequena fração deste aumento da demanda poderá ser forneida por um aumento da produção de óleos ombustíveis ou gás. A longo prazo, indubitavelmente, terá que diminu ir,perentuaj_ mente, o onsumo de óleos ombustíveis e gás di3nte de outras " fontes de energia. Partiularmente, a energia nulear apresenta-se omo a únj_ a alternativa viável para forneer esta demanda resente de energia. O resimento da demanda de energia deve-se, prinipalmente, ã resente produção de materiais básios na indústria do aço, na indú tria químiae em outros ramos da indústria. Aredita-se que, a longo prazo, existirá um défiit resente entre a apaidade da produção e_ xistente e a quantidade de energia requerida, hegando a limites pouo desejáveis. Diante deste futuro pouo promissor, a omunidade mundial deve fazer um esforço para eonomizar, ao máximo, as fontes primárias de energia. Provavelmente, a forma mais simples de usar a energia, seja na forma de ombustíveis líquidos ou gasosos, mas sabe-se que haverá um défiit de oferta diante de uma demanda resente deles. Teoriamente, é possível minimizar o problema om a ajuda de proessos onvenionais para gaseifiação e liquefação do arvão. As reservas de arvão que podem ser eonomiamente exploradas estão onentradas em uns pouos países do mundo e, portanto, sua disponibilidade é limitada. Por outro lado, a sua utilização em grandes quantidades em forma direta aarreta, a longo prazo, uma exessiva produção de dióxido de arbono. Mais uma vez, aparee omo a melhor solução, a energia nulear, forneendo o alor do proesso neessário para a gaseifiação do arvão, sua liquefação e para a produção de hidrogênio, o que permitirá uma utilização eonômia do arvão e reduzirá o problema da o entração de CO^ na atmosfera.

15 Modifiando um pouo uma lássia expressão, pode-se dizer que os requerimentos básios do homem moderno sao alimentação, abrigo e energia. O problema da energia, felizmente, está sendo levado em onsideração ou, pelo menos, é uma preoupação do homem moderno, a respeito de sua boa utilização, motivada, prinipalmente, pelo preço da energia utilizável. Mas, e a alimentação? E seu onstituinte básio,a água? Historiamente, o forneimento de alimento e água tem sido onfiado ã natureza, dependendo da huva para irrigar as áreas de agriultura e pastoreio, e dos rios e lagoas para suprir os requerimentos de água das populações. Com o desenvolvimento das i vi 1 izações,as idades têm resido, devendo-se fazer reservatórios artifiiais ada vez mais longe dos entros de onsumo de água, agravados pelos ompl xos sistemas de bombeamento e distribuição. Mas, os grandes reservat rios deste sistema resultam ser de nenhuma signifi ação,em omparação om o imenso reservatório natural, ou seja, o mar. O reduzido uso do mar, até hoje, tem sido um problema eonômio, pois deve-se jogar fora era de 3,5% em peso de sal que ele ontém. Um fato eonômio tem si do a razão básia que reverte a situação no aso de um navio, pois om o desenvolvimento do ilo a vapor, resultou bem mais barato que qualquer outro método, usar o mar omo o r servatório, e o proesso de destilação omo forneedor da água que se preisa (exeção deve ser feita para a instalação de plantas de dessa^ linização por osmose revertida de estudos reentes em navios). Ared_i_ ta-se que om o sarifíio que a soiedade tem feito de áreas ultiv veis pelo avanço de entros povoados, as regiões atualmente áridas de^ verão ser desenvolvidas, sendo, nesta última hipótese, mais barato des^ tilar ou dessalinizar a água do mar do que transferir a água apta para o onsumo desde entros menos áridos. Independentemente do problema anterior, a natureza não é uma fo te inesgotável de água doe, e o resimento industrial, além da demanda energétia, traz um problema de demanda de água de proesso.po _ tanto, dia a dia, hega a ser mais relevante a purifiação das águas de resíduos industriais e sua reutilização, tanto por problemas eol gios omo pelo insufiiente forneimento de água doe de nossas fontes naturais.

16 1.2 Objetivo do Trabalho Tem-se indiado que a energia e a agua sio os requerimentos b sios da vida moderna. Nio deve ausar surpresa, portanto, que ao ojí siderar o forneimento de agua para uma nova área ou extensão, no esquema atual, tenha-se que inluir, paralelamente, o forneimento de energia para essas mesmas áreas. Ê pensando nesse tipo de neessidades que se desenvolverá o pr sente trabalho, prourando ahar uma solução razoável entre os requerimentos de água e de,energia elétria de uma determinada área árida do território que se pretenda inorporar, seja para urbanização omo para ultivo. Serão levados em onta fatores ténios,prinipaimente, mas sem deixar de onsiderar aspetos eonômios e de -segurança. Far-se-á uma análise da influênia dos parâmetros mais importajn tes de uma usina formada por um reator a gás de alta temperatura, tr balhando em ilo direto, om uma turbina a gás, e a alta temperatura dos gases rejeitados forneerá o alor neessário para aoplar um ilo Rankine. Por sua vez, e, devido a propriedades de estado do vapor (dependendo do ontrole de ertos parâmetros que serão disutidos), será possível extrair,do ilo a. vapor, uma potênia elétria adiional i forneida pela turbina a gás e, ai da, dessalinizar água do mar em uma planta dessa 1 inizadora tipo "flash", que usará o próprio vapor desarregado pela turbina de vapor omo fonte de alor. Em toda instalação geradora de potênia elétria a quantidade de alor que se pode reuperar é um fator deisivo na boa utilização do ombustível. Aredita-se que uma solução omo a proposta, umprirá plenamente om os objetivos da soiedade moderna, no sentido de proporionar energia, na forma mais efiiente possível e omo sub-produto adiional," forneer água apta para o onsumo humano ujo usto dependerá, fundamentalmente, dos avanços tenológios que possam ser fei tos nessa matéria. 1.3 O H.T.G.R Histório,JLEARE«

17 Depois da II Guerra Mundial, a Inglaterra implementou um importante programa nulear para suprir suas neessidades energétias. Desde "Ca 1der-Hal1" até "Wylfa", os ingleses instalaram era de MW elétrios no urto período de ^k anos. Até 1969, inlusive,a energia elétria gerada por reatores nuleares refrigerados por gás de CO2 ( X 10^ kwh) era superior a toda a enegia elétria de base nulear gerada pelos demais tipos de reatores de potênia até en_ tio em funionamento no mundo oidental /I/. As primeiras versões de reatores a gás omeriais usavam urânio natural e uma liga de magnesio ("magnox") omo enamisameji to, e CO2 omo refrigerante. Porém, versões posteriores denominadas "A G R" (Advaned Gas-Cooled Reator) usavam urânio levemente enriqu ido e ènamisamento de aço inox, o que permitia aumentar a taxa de queima e aumentar a temperatura do gás refrigerante om todas as vantagens impliadas. Uma das modifiações importantes introduzidas neste tipo de reatores foi mudar de vaso de pressio em aço para vaso de pressio em onreto protendido (PCRV-Prestressed-Conrete Reator Ves^ sei), o que permite aumentar as pressões do gás refrigerante e o tama^ nho do erne do reator, além de servir omo "blindagem primária ou bi lógia". As vantagens do PCRV revoluionaram a tenologia da onstr^j ção dos reatores a gás pois,possibi1 i taram o onfinamento no PCRV dos troadores de alor ou os geradores de vapor, onstituindo o onjunto denominado "Cilo Primário Integrado", ujo pioneiro foi o reator OLDBURY-A, na Inglaterra. Os reatores de alta temperatura (HTGR-High Temperature Gas-Cooled Reator), atualmente em onsideração, d i st inguem-se dos ou tros sistemas ou oneitos de reatores onheidos, prinipalmente pelo uso de ombustível sem qualquer enamisamento metálio e sem partes metálias dentro da estrutura do erne; utiliza grafite omo moàe_ rador inorporado nos elementos ombustíveis onstituindo um enamisa^ mentó erâmio, ademais utiliza Hélio omo refrigerante, gás inerte, om propriedades exelentes para este tipo de utilização. O HTGR pelo uso do Hélio omo refrigerante e grafite omo moderador, suporte de ombustível e estrutura do erne do reator, supera as restrições impostas a outros tipos de reatores, para atingir altas temperaturas. Enquanto a temperatura do Hélio na saída do erne é de 740 C, para o reator tipo "Fort St. Vrain" ele tem poten-

18 iai idade de atingir temperaturas de C sem exeder a temperatura limite de C no ombustível /2/. No aso do AVR (Arbeitsgemeinshaft Versuhs Reaktor) na Alemanha, que é um reator protótipo de 15 MWe instalado em Julih,tem sido demonstrado pela operaçio de vários anos que uma temperatura de saída do Hélio de 950 C é atingível sem problemas atualmente /3/. Presentemente, aredita-se que o HTGR é eonomiamente ompetitivo e atrativo do ponto de vista da poluiçio térmia, além de ser um sistema alternativo de geração de potênia aeitável. Alguns aspetos relevantes de seus méritos indiam-se a seguir: Segurança e Lieniamento a) A alta estabilidade térmia dos ombustíveis erâmios. b) A alta inéria térmia do núleo de grafite, om uma baixa densidade de potênia, produzindo uma resposta demorada a tranzentes térmios. ) Boa integridade do grafite a alta temperatura. d) Refrigerante inerte, inativo e sem mudança de fase (Heiio). e) Estrutura em onreto protendido om o iruito prim rio integrado, o que elimina tubulações e falhas assoiadas om elas Loação O HTGR é, potenialmente, mais fáil de instalar que os atuais LWRs (Light Water Reators), prinipalmente pelas suas arat rístias de proteção radiológia e de utilização de água: a) O tipo de ombustível e o tipo de refrigerante (gás ) impliam em um iruito primário de baixa atividade, o que, em termos gerais diminui as onseqüênias de uma eventual liberação de produtos radioativos da instalação. b) O tipo de revestimento erâmio do ombustível assegu^ ra que, ante uma eventual falha, os produtos de fissão difundir-se -ão lentamente, ou seja, um baixo nível de dose radioativa nas redondezas de um aidente, em que os produtos de fissão são liberados.

19 ) o uso termodinâmio do ilo Brayton permite a adaptação do HTGR i turbina a gas om efiienia ao redor de ko%. Além disso, pelos níveis de temperatura dos gases na saída da turbina, este ilo neessita 15% a menos de água de resfriamento do que LWR, s gundo se observa na Fig, 1.1 /k/ Operaçio e Manutenção Aredita-se que, em futuro próximo, os ustos de oper ção e manutenção serão menores, prinipalmente pela simpliidade dos sistemas e novos projetos que enfatizam a operabi 1 idade e a disponib_i_ 1 idade da instalação: a) Minimização do número de omponentes e a redução de interações entre omponentes que isso aarreta, b) Novos projetos de omponentes que permitem aesso e inspeção om a usina em serviço, ) Minimização dos níveis de dose para o pessoal de manu_ tenção, devido ao tipo de elemento ombustível ao refrigerante inerte do iruito primario, e ã ausenia de orrosão no iruito primario. Estas vantagens têm sido onfirmadas nas experiênias de operação dos reatores "Peah Bottom" e "Fort St.Vrain" Cilo do Combustível As" araterístias favoráveis do ilo de ombustível são mais omplexas de se omentar, pois dependem de polítias naionais, de fatores eonómios e de problemas de omerialização. Porém, é desejável que o reator possa operar eonomiamente em um ilo de ombustível tipo "Otto" (One-Through-Then-Out) e se aomodar aos ilos ombustíveis mais efiientes que as polítias e failidades naionais permitam. O HTGR tem a flexibilidade para se adaptar a ondições mutáveis sem neessidade de se reprojetar o reator. Algumas vantagens nesta área são: a) A indústria assoiada ao ombustível do HTGR pode op rar eonomiamente na base do baixo enriqueimento e o uso do ilo "Otto". b) Altos enriqueimentos e gereniamento de ombustível

20 1660 LWR 45 HTGR ft3/s Capaidade da Planta MWg Fig.1.1 Requerimentos Aproximados de Agua para um Sist ma de Resfriamento de Passo Únio (elevaçio da temperatura: 16,6 C).

21 T E M P E R A T U R A = C 200 « \ko0 1 * I 1 I I 1 i 1 1 I I I I! I I I I I I I 1 I i PROD. DE A N I L I N A PROD. DE H N O. PROD. DE Cl ME NTO P R O C E S s o s DESSAL INIZAÇAO PROD. DE N H, P R O D. DE C L O R E T O V I N I L A F.ABRIC. D E S I L I C O N E S PROD DE DECOMPDSIçiO DA H, O PR O DUÇ AO REDUÇÃO DIRE TA P/GASEIFICAÇÃO DO CAR VA O DE AÇO A LTO F O R N O S Í N T E S E DA URE'IA PROD. DE VIDRO i N D U S T R I A I S D I S T I L A CÃ'o_ DO P E T R O ' L E O V U L C A N. DA B O R R A C H A PROD. DE HCI C R A Q U E A V E N T O DA I N A F T A I PROD. DE ETILE NO DESSULFUR IZAfAO DO PETROLED PROD. I?E OLEO DE XISTO GERAÇÃO DE MAGNETO HIDRO PROD. DE GAS DE RUA T OOO 1200 T E M P E R A T U R A C Fig. 1.2 Temperaturas de opera^ao dos diversos /5/ proessos industriais

22 om reilagem podem ser usados em um HTGR sem mudanças importantes, em ontraste om os LWRs /3/. ) O HTGR ê a alternativa mais eonômia omo um onversor avançado e oferee uma exelente opçio para operar, s i mb i ot i amejn te, om reatores regeneradores rápidos Apli ações O HTGR nio só tem o potenial para gerar eletriidade e- onomiamente, omo também pode ser usado omo um substituto de ombustíveis fósseis em indústrias que preisam de vapor ou alor de pro_ esso, motivado pelas altas temperaturas do ilo e dos níveis de tem peratura do alor rejeitado. Espeifiamente: a) Pode-se apliar um ilo de vapor na desarga de uma turbina a gás.aumentando a potênia elétria gerada e melhorando sua efiiênia térmia até uma ordem de 47%,omo será mostrado no presente trabalhob) Outras apliações podem ser apreiadas na Fig.i.2.Poi. teriormente, indiar-se-á outras apliações assoiadas om o ilo d_i_ reto om turbinas a gás.

23 10 C A P Í T U L O Z CICLO FECHADO COM TURBINAS A GÂS 2.1 Histório do Cilo Fehado O ilo direto fehado de turbinas a gás não é uma idéia nova, pois há tempo que esta área está sendo desenvolvida, desde Erison em 1833, que omeçou experimentando om o ilo fehado de máqui nas a pi5_ tao. Redtenbaher, 20 anos depois, féz um tratamento teório do proesso que mostrou as vantagens da turbina omo máquina motriz prinipal. Mas foi só a partir de 1930, om o desenvolvimento do turbo-ompressor, que se pôde hegar a um estágio tal que possibilitou o deseji volvimento do proesso de ilo fehado utilizando-se turbo-máquina. Literalmente, entenas de relatórios e artigos ténios têm sido esritos nos últimos ko anos sobre ilos fehados om turbinas a gás. A tenologia é bem onheida e muitas plantas têm estado em operação por mais de horas /A/, prinipalmente na Europa e tendo, omo energia primária, o ombustível fóssil. Foram onstruídas era de vinte plantas deste tipo, das quais ainda existem 6 em operação. Seus arranjos são semelhantes ao da turbina de ar em ilo aberto e por isto as vantagens desta turbo-máquina não tem se destaado omo deveria. Além disto, não é amplamente onheida. Porém, nos últimos anos existe um maior interesse neste tipo de planta que não só é a- daptável ã energia fóssil mas também ã energia solar, e ã energia nulear. 2.2 Tópios Gerais do Cilo Direto HTGR-Turbi nas a Gás A primeira pergunta que se deve responder é: Por que existe hoje uma tendênia para desenvolver turbinas a gás para tentar substj_ tuir as turbinas a vapor om tantos anos de tenologi a bem desenvolvi da eonheida?para responder a essa pergunta é preiso onsiderar os variados aspetos do problema. Em primeiro lugar, ao se omparar os ilos termodinâmios Bray^ ton e Rankine trabalhando em sistemas análogos e om os mesmos máxi-

24 11 mo e m'nimo níveis de temperatura, tem-se que a turbina a gás é menos efiiente que a turbina a vapor, pois sem a ajuda do alor latente, os fluídos gasosos não satisfazem a premissa básia para um ilo ter_ modinâmio ideal, que o alor transferido de uma fonte de alor a um fluído de trabalho deve oorrer sem diferença de temperatura. Além do supra menionado, os reuperadores de alor, que são ne_ essãrios para melhorar a efiiênia do ilo termodinâmio, geralme te preisam de mais superfíie de transferênia de alor que a eliminada pela ausênia de aldeiras neste ilo. Por último, a potênia requerida nos ompressores é, proporionalmente, muito maior que a po_ tênia das bombas de alimentação de água a pressão do ilo Rankine. Porém, as indiações anteriores são menos importantes pois o mé_ rito termodinâmio da turbina a gás está na vantagem do uso de - alta temperatura, além do que as irreversibi 1 idades externas são ompensadas por ser possível troar alor om gradientes de temperaturas maio res. Na prátia obtem-se efiiênias da turbina maiores, pois usam-se baixas razões de expansão e não se tem perdas por umidade omo nas de vapor nos últimos estágios. Portanto, omparando-se a efiiênia real de uma planta a vapor e outra a gás, verifia-se que são da mesma ordem, se forem onsiderados os níveis de temperatura usados por uma planta a vapor om HTGR. Além disso, mesmo que as neessidades de superfíie de troa de alor num reuperador sejam maiores que nas aldeiras, são mais baratos e mais ompatos pelos gradientes de temper tura envolvidos. Até hoje, as turbinas a vapor têm dominado totalmente o ampo da geração de eletriidade, inluindo todas as entrais nuleares ons_ truídas e ainda em onstrução. As entrais modernas de vapor operam om uma temperatura máxima da ordem de 5^5 ^ e tem uma efiiênia gl bal da ordem de 35 a hoz. Considerações de ordem metalúrgia tendem a limitar a elevação da temperatura nos sistemas de potênia que usam o ilo Rankine, e efiiênias mais altas só podem ser atingidas om ilos mais omplexos. Portanto, o ompetidor mais efetivo para a tu<r_ bina a vapor é a turbina a gás, e, partiularmente, o ilo fehado om turbina a gás (sem a ajuda da pressurização, as dimensões das tu _ binas e dos dutos 1imitamoiio aberto até uns 100 MWe, om as temp raturas usuais na entrada da turbina). Comparando a planta de potênia utilizando turbinas a gás om a ins-i nuio rr s _CLEARES

25 12 a de turbina a vapor podemos enumerar algumas vantagens importantes da primeira: a) A densidade do fluido de trabalho na exaustão varia entre duas a três vezes, reduzindo enormemente o tamanho dos equipamentos e dutos. b) A redução da razão de expansão de era de a 1 no vapor para 2.5 a 1 para o gas, permite alta efiienia na expansão e uma utilização mais efetiva dos materiais estruturais. ) Uma redução substanial em omplexidade, devido ã eliminação dos equipamentos e instrumentação relativos a tratamento de água, bom beamento de alimentação, aqueimento e desaeração. d) Ausênia de problemas de umidade e orrosão. Pelos motivos aima indiados, a instalação HTGR om turbina a gás, oferee ótimas possibilidades de desenvolvimento, podendo ser me lhorados os itens referentes a simplifiação da instalação, ustos de apital, efiiênia e utilização dos gases residuais nos próximos a- nos; pelas temperaturas de saída da turbina a gás na exaustão,que são da ordem de 500 C, permite a utilização desses gases em uma série de proessos industriais de média e baixa temperatura, omo é mostrado na Fig Um aso partiular das apliações da Figura 2.1 será analisado no presente trabalho, onde além de ter um ilo binario, haverá dess linização, om a finalidade de se ter uma exelente utilização do ombustível. 2.3 Análise dos Fluídos Refrigerantes para um Reator a Gás em Cilo Di reto om T.G General idades Tem-se indiado algumas das vantagens do ilo direto fe hado em forma geral sem identifiação alguma do fluído que deveria ser usado, embora se tenha indiado que o HTGR foi onebido para a utilização do Hélio omo fluído refrigerante por motivos que serão di utidos a segui r. Um dos aspetos fundamentais que devem ser 1 evados em oji ta, é que em um ilo fehado o nível de radioatividade pode ir aumeji

26 ad i ção a lor de ilo fehado da turbina a gãs rejeição alor de resfrlamento seo resfriamento úmi do-seo ilo binario HTGR aque i mento domest i o dessa 1 i n i zaçã vapor de proesso vapon zaçao de LGN agro-i ndústr i a Fig. 2.1 Alternativas de Utilização dos Gases Residuais

27 14 tando progressivamente (no aso que a razão de formação dos isótopos radioativos seja maior que a razão de deaimento), e uma eventual fuga do refrigerante do iruito primário poderia ter efeitos muito sérios nas redondezas da instalação. Os gases fatíveis de usar são He, ar e CO2. Levando em onta o ponto assinalado anteriormente, temos que o Hélio tem vantagens indisutíveis, pois, pratiamente, é transparante aos neutrons (embora o He3 tenha uma seção de hoque da ordem de 1 barn, sua abundânia relativa no gás é muito pequena, da ordem de 0,00013% /6/).Outro problema, em potenial, seriam as impurezas, mas isso pode ser evitado om ontroles ertos e sistemas de purifiação na instalação. Portanto, pode-se afirmar que os problemas de atividade induzida são desprezívels. Outra araterístia importante do Hélio é o fato de ser um gás inerte. Portanto, onsiderando aspetos de orrosão, o Hélio é o melhor fluído refrigerante para esta apliação, embora ao se onsiderar aspetos eonômios e de disponibilidade, o problema varia bas^ tante, pois é bem mais aro que o CO2 e sua disponibilidade omo Hélio nulearmente puro (99,999% de pureza) é baixa. Infelizmente, o Hélio por seu baixo peso moleular, apre senta uma alta difusão. Assim, o onfinamento do Hélio, no iruito primário, é um problema que requer, normalmente, soluções ténias um tanto sofistiadas e, além disso, deve-se ter um estrito ontrole da qualidade de gãs e dos estoques disponíveis para reposição imediata,em aso de perdas de fluído, próprias da operação do sistema Comportamento dos Fluídos em um Cilo Brayton O projeto de um sistema a gás omeça om o estudo do ilo termodinâmio, devendo envolver o omportamento das variáveis e sua inter-rei ação, para determinar om preisão quais são as mais relevantes, e, deste modo, ajustar exatamente as ondições de operação de seus omponentes. Para efeito de estudo, anal isar-se-á um ilo Brayton real, ou seja, onsiderando expansões e ompressões não isentrópias, om ou sem regeneração, dependendo do aso e sem ou om resfriamento intermediário, dependendo da omplexidade imposta ao ilo, pois, ãs

28 15 vezes, para obter um pequeno aumento em efiiênia, esta última opçio nio é prátia nem eonomiamente justifiável, ainda mais se onsiderarmos as baixas razoes de ompressão utilizáveis neste tipo de apliação (da ordem de 2.5 a 3-0). O equaionamento mostrado no Apêndie A permite a simul ção do omportamento dos distintos fluídos de interesse, assim omo a influênia das distintas variáveis na efiiênia da operação do ilo. Para efeitos de ompatibilidade dos distintos gráfios a serem mostrados neste trabalho, usou-se ertos dados padrões para o ilo Brayton. Levando em onta razões ténias, ou normas de uso omum na engenharia,usa-se o sistema internaional de unidades. Dados e ondições utilizadas na análise: - Temperatura máxima do ilo: 1223 K = 950 C - Temperatura mínima do ilo: 303 K = 30 C Efiienias de omponentes omo bombas, ompressores,tuj;^ binas, reuperadores: 0,9 (ou 30%). Para efeitos de balanço térmio, onsidera-se proessos adiabátios. Analisou-se, em primeiro lugar, o omportamento dos dif rentes gases, no ilo Brayton indiado, podendo-se observar na Fig. 2.2 que o trabalho líquido espeífio para o Hélio é bem maior. Isto motivado por seu alto valor no alor espeífio, omparado om os outros gases, omo se observa na Tabela 2.1. Indubitavelmente, o Hélio, só onsiderando este aspeto, fia fora de disussão, mas no aso do ar e do CO2, a situação pode- -se reverter ao onsiderar as propriedades do gás a temperaturas mai res, pois, neste aso, o alor espeífio do CO2 é maior que o do ar (Tabela 2.2), portanto, o gráfio da Fig. 2.2 variará, dependendo dos valores usados. A Fig. 2.2 deve ser observada om atenção, pois, além de obter um trabalho líquido maior, também o alor adiionado e o trabalho de ompressão são maiores. Além do anterior, temos outra informação importante na figura, que refere-se ã razão de ompressão ótima para obter o máximo trabalho líquido. Observa-se que para o Hélio, a razão de ompressão ótima é menor que para outros fluídos. Uma expliação físia deste fenômeno pode ser obtida derivando a equação A-9

29 kj W 1 kg 5e t 1 i I I 1 j t 1 [ I J 1 I ] 1 1 I I j I I I I I I { 1 1 * *~J S e.a 7.5 ie e 17.5 razão de ompressão Fig. 2.2 Trabalho Espeífio Líquido/Razão de Compressão, dos Distintos Gases no Cilo Brayton sem Regeneração n 0.3 I B.g ' i i < i j I J ] 1 j 1 I 1 I ) 1 i 1 J j i i I J j i i 1 i ] J i J i razão de ompressão Fig. 2.3 Efiiênia Térmia/Razão de Compressão, dos Distiri^ tintos Gases no Cilo Brayton sem Regeneração INS, ITDl O l: JLEARES

30 17 Tabela Algumas Propriedades dos Gases a Temperatura e Pressão Standard (15 C, KPa abs) F L U I D O Cp 'kj/kg K" Y = Cp/Cv Ar 1, He 5, " 2 0, Tabela 2.2 /8/ Propriedades dos Gases 565 C FLU1 DO Cp Y k Pr R y kj/kg K J/m s K J/kg K N s/m^ Ar 1, ,2292x10"^ 0, ,9 3,7204x10"^ He 5,193* 1,66 2,976 xlo"^ 0, ,0 3,927 x10"5 CO^ 1,172 1,19 5,71 xlo"^ 0, ,3897x10"^ * O Cp do Helio é onstante om a pressão e a temperatura. A diferen_ ça deve-se a pequenas disparidades nas fontes.

31 18 (do Apêndie A) om respeito de r^ e obter o máximo da urva. Chega- -se ã expressio: T (r^), = ( ^ n ^. ) ^ ^) (2-1) ótima T. Temos que aumentando o valor da razao dos alores espej^ fieos ( T ), o expoente da equação diminui e, portanto, r^ será menor quanto maior seja Y. Os efeitos menionados impliam que uma instalação usando Hélio omo refrigerante preisará de menor vazão de gás e razões de expansão menores, diminuindo o tamanho dos equipamentos e portanto seu usto. Na Fig. 2.3 pode-se apreiar que a efiiênia máxima não depende do fluído. Temos, também,-um efeito similar a respeito da razão de ompressão ótima, embora estas não oinidam, pois são obtidas de expressões matemátias diferentes e, portanto, a ótima r^ para obter o trabalho líquido máximo, não será ótima a respeito da efiiêji ia. Isto implia que num projeto hega-se a situações de ompromisso, pois um maior trabalho 1íq. espeífio aarreta, menor vazão do gás, menores quedas de pressão, et, mas uma baixa efiiênia implia um menor aproveitamento, o que também não é desejável. A esolha erta deste parâmetro, dependerá dos objetivos do projeto. 2.3"3 Comportamento dos Fluídos num Canal de Refrigeração tipo "Fort St. Vrain" Tem-se analisado os fluídos fatíveis de usar em um ilo fehado, desde um ponto de vista geral e, em partiular, a respe_i_ to do omportamento dos fluídos nos proessos termodinâmios, e as vaji tagens do Hélio sobre outros gases são indisutíveis. Trata-se, agora, de verifiar o omportamento dos fluídos, onsiderando os probl mas de transferênia de alor e potênia de bombeamento que, finalmen_ te, nos determinarão a superfíie de transferênia de alor e a fração de potênia que sera onsumida no bombeamento. A análise poderia ter sido feita onsiderando um duto qualquer, mas ahou-se melhor trabalhar om os dados de um anal típj_ CO do reator tipo "Fort St. Vrain" disponíveis na bibliografia /1/que são os segui ntes :

32 19 - omprimento ativo L = 4,7 m - diâmetro anal D = 1,58 x 10 m - temp. de entrada Te= 393 C - temp. de saída Ts= 776 C O equaionamento enontra-se no Apêndie B. Para a obte ção das figuras 2.4 e 2.5 usou-se omo variável independente a potênia média adiionada por anal aos níveis de operação nominal do reator. Com o objetivo de verifiar a ordem de magnitude dos parâmetros analisados as temperaturas na entrada e na saída do anal são onsid radas onstantes, pois estão fixadas pelo projeto do reator. Assim pode-se observar na Fig. 2.4 que ã. medida que aumenta o alor ad_i_ lonado no anal de refrigeração, a queda de pressão aumenta, isto é, para aumentar o alor retirado deve-se aumentar a vazão do gãs e, logiamente, a queda de pressão aumenta (Equação B-12). Com os dados da Tabela 2.2 verifia-se que o ar tem o alor espeífio menor, portanto, nas mesmas ondições é o que requer maior vazão e,onsequentemente, produz maior queda de pressão. Analisando, agora, a potênia de bombeamento requerida para retirar uma erta quantidade de alor no anal, a situação altera-se (Fig. 2.5), pois, no aso do Hélio, embora a vazão no anal seja menor que para o CO^, sua densidade, nas mesmas ondições, é era de 10 vezes menor. Isto prende-se ao fato que a potênia de bombe mento é inversamente proporional ã densidade do fluído (Equação B-6), e a sua menor vazão não ompensa a onsiderável diferença de densidades entre os fluídos, Como uma forma de ompensar esta defiiênia do Hélio, pode-se trabalhar om pressões maiores no iruito, o que mais uma vez, é uma situação de ompromisso, pois deve-se aumentar as espessuras ou a qualidade dos omponentes. Isto, indubitavelmente, influi nos ustos da instalação, mas, por outro lado, as dimensões dos omponentes rotativos diminuem, Uma boa análise de usto/benefíio da_ rá a melhor resposta para tomar uma deisão mais aertada. Depois de ter analisado os aspetos favoráveis e desfav ráveis dos distintos fluídos, pode-se ompreender, perfeitamente, a tendênia para usar Hélio nos novos HTGR (High Temperature Gas-Cooler Reator) e, igualmente, justifia-se os gastos em investigações e desenvolvimento que estão sendo feitos em turbinas a gãs. Hélio, prini pálmente, na Suíça e na Repúblia Federal da Alemanha /9, 10, 1 1 /.

33 20 alor adiionado kw Fig. 2.k Queda de Pressao/Ca1or Adiionado no Canal, para Distintos Gases ar e.2h r^^tjjj I I 1 I 1 j 1 i I I ) * 1 1 i ] 1 i i < le alor adiionado IkW Fig. 2.5 Trabalho Espeífio de Bombeamento/Calor Adiionado no Canal, para Distintos Gases

34 21 2.k Comportamento dos Parâmetros mais Importantes num Cilo"Brayton" Definidas as vantagens do Hélio omo refrigerante e flu'do de trabalho num ilo direto om turbinas a gás, é importante analisar o efeito dos parâmetros no omportamento do ilo indiado, pois isto seri determinante para esolher o arranjo e os omponentes do ilo para uma apliação em partiular. Para a análise, usou-se o equaionamento do Apêndie A e os mes_ mos dados definidos na Seção 2.2.2, só que, nesta vez, tem-se um únio fluído, o Hélio. Na Fig. 2.6 é interessante observar, em primeiro lugar, que aima de r = 6.0, não se tem regeneração, pois a temperatura de saída do ompressor resulta ser maior que a temperatura na sa_í da da turbina, portanto, a regeneração não é possível nestas ondições. Outra informação interessante nesta figura é que ã medida em que aumenta a efiiênia no regenerador, a razão de ompressão ótima vai se desloando na direção das razões de ompressão mais baixas, efeito altamente desejável, pois menores razoes de ompressão fazem diminuir os ustos dos equipamentos. Além do anterior, observa-se um ahatamen_ to no perfil da efiiênia total do ilo, o que torna mais flexível o parâmetro r^, pois permite mudar a faixa de ompressão no projeto, sem alterar, substanialmente, a efiiênia total, (efeito partiularmente notório para uma efiiênia no regenerador igual a 7Q%). As figuras 2.7 e 2.8 mostram um efeito ompletamente previsível sob o ponto de vista termodinâmio, pois temos que a equação da efiiênia para um ilo de Carnot é: T quente - T frio K = T quente '^^ que alula a efiiênia do ilo Carnot, em função da temperatura em que o alor é adiionado no ilo e da temperatura em que o alorér jeitado. O ilo é omposto de quatro proessos reversíveis, dois is térmios e dois adiabátios, portanto, isentrópios. A equação 2.2 justifia o omportamento da efiiênia quando a temperatura da fonte quente, hamada neste aso, de temperatura de 5a_í da do reator, aumenta. Este efeito, um tanto elementar, é de grande importânia, e, justifia, plenamente, todo o esforço tenológio que está se fazendo, hoje em dia, para atingir maiores temperaturas,onde, além de maiores efiienias, obtêm-se níveis de temperatura ompatí-

35 e = 0.9 e.4h 8.3- e.2h T T razão de ompressão Fig. 2.6 Efiiênia Térmia/Razão de Compressao, para Diferentes Efiienias no Regenerador 0.5-, ri 950 C 0.4H 900 C 850 C 800 C 750 C I t i { i i i I I ' ' ' ' 1 ' ' razão de ompressão ' 1 ' ' ' M 5 6 Fig. 2.7 Efiienia Têrmia/Razão de Compressão, para Diferentes Temperaturas na Sa'da do Reator

36 23 veis om as neessárias na produçio do aço ou na gaseifiação do arvão. A respeito da fonte fria na Fig. 2.8, quanto menor a temperatura da fonte fria, maior será a efiiênia do ilo. Este ponto é de importânia, pois para uma mesma instalação, esta tera maior efiiênia em lugares geográfios de mais altas latitudes e menor efiiênia em lugares equatoriais, portanto, dentro do projeto é muito importante estabeleer a temperatura do meio disponível para o resfriamento, pois a efiiênia máxima pode variar de 0,^3 para 100 até 0,53 para 0 C. Finalmente, omo se interessa por uma apliação dos gases resj_ duais do ilo Brayton, anal isar-se-á o nível de temperatura desses gases, pois é um parâmetro importante para qualquer apliação térmia. Por exemplo, numa usina PWR (Pressurized Water Reator)rejeita-se no ondensador da ordem de 65% da potênia entregue no reator nulear, mas a temperatura de rejeição é tão baixa que as possibilidades de a- pliação fiam muito restritas. Na Fig. 2.9 observa-se que quanto maior é a efiiênia no regenerador menor é a temperatura dos gases residuais, o que implia que a instalação é mais efiiente (menor alor é rejeitado). Esta baixa disponibilidade de temperatura faz om que aoplar um ilo Rankine a uma geração adiional de potênia elétria, resulte pouo vantajoso, pois implia ter grandes turbinas e tubulações ompatíveis om a baixa pressão do vapor assoiada a esta temperatura. Mas, no aso de baixa efiiênia no regenerador (ou, mesmo sem regeneração), os níveis de temperatura são bem maiores, permitindo trabalhar om temperaturas de vapor de 500 C e pressões na ordem de 175 bar, tendo-se, neste aso, uma ótima utilização dos gases residuais. Em um apítulo posterior, ana 1 isar-se-á estas alternativas, exaustivamente, em uma apli ção bem espeífia, o aoplamento de um ilo Rankine e de uma planta dessa 1 i n i zadora.

37 2k n e.sh 2.2 i I 1 j I [ I j I I I I I i ' I " I razão de ompressão Fig. 2.8 Efiiênia Térmia/Razão de Compressao, para Diferentes Temperaturas na Entrada do Compressor T K e = razão de ompressão Fig. 2.9 Temperatura do Hélio na Saída do Regenerador/ /Razão de Compressão, para Diferentes Efiiê ias no Regenerador

38 25 C A P Í T U L O 3 PLANTAS DE DESSALINIZAÇÃO 3.1 Generalidades sobre as Alternativas Entende-se omo planta dessa 1 inizadora de agua do mar, aquela que, tendo omo fluido de alimentação, água om um onteúdo de sais da ordem de ppm ou 3,5% em peso, seja apaz de reduzir este aj_ to onteúdo de sais até ppm ou 0,2% de sais, apta para o onsumo humano, dos animais e na agriultura, embora regulamentações de saúde mais rígidas ao se tratar de saúde humana, abaixem esse limite até 0,05% /12/. Qualquer método de dessal i n i zação usa energia para efetuar a se_ paração dos sais, portanto, o onsumo de energia é um dos parâmetros mais importantes na planta dessa 1 inizadora. Nos proessos de dessalinização existentes, hoje em dia, ofereem-se uma faixa relativamente razoável de possibilidades, mas deve-se ser muito uidadoso ao analisar os onsumos espeífios de energia ou energia onsumida por unid de do produto. A mínima energia, teoriamente requerida para dessalini zar 1 (um) metro úbio de água do mar ( ppm) ã temperatura ambiente, mediante qualquer proesso reversível, é de 0,7 kwh (2,52 kj/kg) /12/. Porém, os valores prátios obtidos nas plantas atuais são bem maiores (300 kj/kg) por ausa das irreversibi1 idades (frição, diferenças de temperatura, et). Deve-se menionar que, para determinar ovalorte rio indiado, supõe-se que a onentração da salmoura se mantém ao mesmo nível da alimentação, o que, pratiamente, signifia que uma quantidade infinitamente pequena tem sido dessa 1 inizada. Os proessos de dessali nização podem se separar em 2 ategorias, dependendo da fonte de energia usada. Proessos que usam alor: a) Destilaçao por múltiplo efeito. b) Destilaçao "Mu 11i-Flash". Proessos que usam eletriidade: a) Eletrodiãli s i s (só para águas om baixo onteúdo de sais). b) Compressão de vapor.

39 26 ) Congelamento. d) Osmose reversa, e) Resinas de troa iónia. Dos proessos indiados, o interesse reside naqueles que usam alor maj or i tar i amenté, pois justamente a apliação prevista, é a ut_i_ lização dos gases residuais da turbina a gãs. A desrição dos proessos que usam m.a jor i ta r i amenté eletriidade fiam fora do esopo do presente trabalho. Os evaporadores de água do mar eram, iniialmente, do tipo de múltiplo efeito ou de aqueedor submerso; eles evoluíram desde o velho evaporador de simples estado de instalações marinhas até unidades de múltiplos estados mais eonômios e de apaidades da ordem de toneladas' de água por dia. Na Fig. 3-1 mostra-se um esquema do prinípio de funionamento do evaporador múltiplo efeito de 2 estágios, O evaporador de múltiplo efeito é baseado no prinípio de reutilização do alor de ondensação. Isto é possível pois, ada estágio tem uma pressão menor que o anterior, portanto, o vapor gerado no 1? estágio é usado para aqueer paj^ ialmente a água salgada de alimentação e para produzir a vaporização no 2? estágio. Como uma primeira aproximação, o onsumo espeífio de energia (energia onsumida/água produzida) do tipo mostrado na Fig. 3.1 é fixo. Portanto, a produção de água destilada, para uma área de transferênia de alor fixa, vai depender, aproximadamente, da diferença de temperatura entre a água de alimentação e a temperatura do vapor no 1? estágio, e do oefiiente global de transferênia de alor. Quando o número de estágios é aumentado a "n", a diferença de temperatura por estágio e o onsumo espeífio da instalação são redu zidos em proporção inversa ao número de estágios "n" em uma primeira aproximação. Q = h A A T (3.1) A transferênia de alor entre uma parede e um fluído está def_i_ nida por uma expressão onheida omo "Lei de Resfriamento de Newton" A equação 3.1 mostra que a área de transferênia de alor A será inversamente proporional ã diferença de temperatura A T entre ova

40 27 adição de reuperação de rejeição de alor a lor al or vapor de aque imento al Imentaao Í!I>- desti lado ondensado ]>- sal resfriamento 1? ESTAGIO 29 ESTAGIO Fig. 3.1 Evaporador Tipo tóltiplo Efeito de Dois Estágios

41 28 por que é ondensado e a água que é evaporada, e, portanto, propori_o nal ao número de estágios. Porém, deixando de supor que o oefiiente de transferênia de alor h é onstante ( h depende fundamenta 1men_ te da turbulênia que, por sua vez, depende do A T, diminuindo, a- prei aveimsnte, para pequenos gradientes de temperatura), a área de troa de alor aumentará, onsideravelmente, se o número de estágios reser muito. Portanto, evaporadores de múltiplo efeito fiam restr_i_ tos a um número máximo de 8 ou 9 estágios, atingindo um onsumo espeífio mínimo próximo dos 290 kj/kg /13/. Pode-se apreiar que o evaporador tipo multiflash mostrado na Fig. 3-2 tem algumas similaridades om a planta múltiplo efeito, mas, o prinípio para produzir a evaporação é diferente. Neste aso, usa- -se a diferença de pressão existente nos estágios para empurrar o líquido de um estágio a outro. O líquido que estava em equilíbrio term dinâmio no estágio de pressão maior, ao passar ao estagio de pressão menor, hegará a uma temperatura maior que a de saturação. Nesse est do, portanto, vaporizará ã medida em que essa tendênia ao equilíbrio possa se manter. Como se mostra na Fig. 3-2, a água de alimentação é aqueida, gradativamente, pelo vapor produzido em ada estágio e, finalmente, é aqueida por uma fonte externa onde atinge a temperatura máxima. Posteriormente, é resf r iada, progress I vãmente, na asa'áa'de âmaras em S rie, vaporizando parte do fluído por flash. A superfíie de transferênia de alor assoiada om ada estágio reuperativo umpre duas funções: a de aqueer a água de aliment^ ção que esoa no interior dos tubos, e a de ondensar o vapor produzj^ do em ada estágio, mantendo a pressio de saturação nesse estágio a um nível, relativamente baixo, para assegurar a vaporização por flash da salmoura pré-aquei da. No estágio de rejeição de alor é por onde, pratiamente, sai todo o alor do sistema, pois, só uma pequena fração da água de alimentação que é aqueida neste estado entra na sua âmara flash, o res_ to é rejeitado. A função prinipal deste estágio é, portanto, a de ondensar o vapor gerado na sua própria âmara e, por sua vez, abaixar a temperatura do destilado que sai omo produto. Da âmara flash deste estágio sai também rejeitada, uma fração da salmoura om uma salinidade da ordem de ppm, o resto é reirulado. para evitar