escoamento multifásico Abril 2013

Seminário do grupo de escoamento multifásico Abril 2013 1

Carlos Marlon Silva Santos Email: carlosmarlon@hotmail.com carlosmarlon@sc.usp.br Fone :16 8251-7735 2002- Graduação Engenharia Mecânica - UFBA 2005 - Especialização em Engenharia de Gás Natural Apresentação 2005- Mestrado Engenharia Mecânica -UFPB- Na análise Exergética e Termoeconômica de Unidade de Cogeração com Sistema de Refrigeração por Absorção Água - Amônia, usando Gás Natural Março -2005 2012- Engenheiro de Processo e Controle da Qualidade SR -Xerox Com. e Ind. Ltda. 2005-2012 2

ANÁLISE EXERGÉTICA E TERMOECONÔMICA DE UNIDADE DE COGERAÇÃO COM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO ÁGUA - AMÔNIA, USANDO GÁS NATURAL Carlos Marlon Silva Santos Orientadores : Prof.Dr. Carlos Antônio Cabral dos Santos Prof. Dr. Ednildo Andrade Torres

Estrutura da Apresentação Objetivo Modelagem Resultados Considerações Finais 4

Objetivo Analisar exergética e Termoeconomicamente um sistema de cogeração composto por um motor e um chiller de refrigeração por absorção. Fluxos de calor envolvidos no sistema - 1 lei da termodinâmica Irreversibilidades 2 Lei da termodinâmica Análise Exergética Custos e tarifas dos produtos Termoeconomia Etapas Simular o funcionamento do motor e do sistema de refrigeração por absorção (EES- Engineering Equation Solver); Analisar energética e exergeticamente a unidade (Equação da continuidade, Balanços de energia e exergia); Análise termoeconômica (base exergética) 5

(Motor) Modelagem Termodinâmica Carga % 37,64 43,86 50,11 56,33 62,61 68,83 75,09 81,28 87,59 93,81 100,00 Velocidade (operação) RPM 1204 1403 1603 1802 2003 2202 2402 2600 2802 3001 3199 Potência W m kw 74,1 86,9 98,4 109 120,7 131,3 140,9 150 157,2 163,5 167,2 Vazão de Gás Natural Temperatura dos gases exaustão Fonte: Leon Heimer (10-3 ) kg/s 4,74 5,61 6,373 7,274 8,036 8,763 9,317 9,941 10,56 11,36 11,60 C 583,8 602,9 619,6 630,7 656 667,6 678,8 695,4 712,5 715,1 733,5 m = 1,122x10.carg a + 7,842x10 gn T =2,372.carga + 499,989 gases 4 4 W m =1,530.(carga) + 21,856 Exc m ar;re al = m ar;ideal. 1+ 100 m gases;re al = m ar;re al + m gn 6

Modelagem Termodinâmica Unidade de refrigeração por absorção Ciclo GAX Q c Condensador 1 Retificador 11 19 2 3 7 W bomba 10 15 Gerador 16 20 Q gerad or Motor 21 9 Trocador de Calor Q resf Resfriador 13 12 4 5 6 8 14 Evaporador Absorvedor 17 18 7

Simulador Desenvolvido no EES Software que fornece as propriedades termodinâmicas Dados de entrada Composição do gás natural; Excesso da ar da combustão; Temperatura de referencia; Pressão de referência; Carga de operação do motor; Temperatura de evaporação; Concentração de vapor de refrigerante; Largura do processo; Variação de pressão na válvula intermediária; Eficiência do tocador de calor de solução; Temperatura de entrada de água gelada; Temperatura de saída de água gelada; Eficiência da bomba de solução; 8

Simulador Dados de entrada para avaliação termoeconômica Taxa de juros Tempo de retorno do investimento, em anos Investimento Chiller Investimento Motor Tarifa cobrada pela companhia de água R$/m 3 Tarifa cobrada pela companhia de gás R$/m 3 Taxa de rateio do sistema de refrigeração 9

Resultados Fluxos de Calor do sistema de refrigeração por absorção (1 lei da termodinâmica) Fluxo de calor (kw) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 152 152,2 29,11 89,89 87,45 Gerador SCA Evaporador Condensador Resfriador a ar 7,58 Retificador 10

Resultados Irreversibilidade do sistema de refrigeração por absorção (2 lei da termodinâmica) 75% carga 60,00% 54,15% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 14,76% 11,92% 9,61% 10,00% 0,00% 5,90% 2,66% 0,94% 0,06% Gerador Retificador SCA Resfriador a ar Evaporador Condensador Valvulas Trocador de calor 11

Energia Resultados Combustível 100 % Motor 30,22 % EE 33,63% Gases 36,15% 69,78% Combustível 100 % Cogeração 30,22 % EE 19,67% Água gelada Exergia Combustível 100 % Motor 28,92 % EE 31,82% 39,21 % 71,08% Combustível 100 % Cogeração 28,92 % EE 1,17 % Água gelada 12

Resultados COP = 0,58 1 Lei η motor = 30,23 % η coger = 50,12 % ε Refrig = 10,07% 2 Lei ε motor = 28,92 % ε Cogeração = 30,23% 13

Termoeconomia Resultados 14 Perdas condensador Perdas Resfriador Combustível Água Gelada Energia Elétrica Motor Unidade de Refrigeração INVESTIMENTO Água Gelada Energia Elétrica

Resultados Termoeconomia (Investimento) Entrada Saída Fluxo 10 3 (R$/Ano ) Fluxo 10 3 (R$/Ano ) 17 271,17 18 393,70 19 238,77 Unidade de 21 113,90 24 1,26 cogeração 22 3,45 Investimento 0,745 23 0,89 Total 511,95 Total 511,95 17- Água 19- Gás Natural 24- E. E Bomba 18- Água Gelada 21- EE Gerador 22- Perda Condensador 23- Perda Refrigerador 15

Considerações Finais A análise exergética aponta: O processo de desorção ( separação do refrigerante da solução) apresentou maior irreversibilidade Responsável por 70% (Gerador 56% Retificador 14%). O Processo de absorção apresenta-se como o segundo mais irreversível com 22%. 16

Considerações Finais A custo tarifário da energia elétrica produzida com a unidade operando a 75% da carga e 15% de excesso de ar foi de 96,16 R$/MWh. O custo tarifário líquido da água gelada foi de 0,90 R$/t. Custo de produção de energia elétrica 113.905,35 R$/ano As tarifas dos produtos da unidade e o custo são reduzidos com o motor operando com um excesso de menor O motor operando com cargas elevadas conduzem a tarifas menores. 17

2013-1- Cursando disciplinas Atividades do Doutorado Matemática para engenheiros Prof. Dr. Paulo Greco Mecânica dos Fluidos Prof. Dr. Oscar Rodrigues Estudar Análise teórica de um Perfect Core-Annular Flow (PCAF) Realizar Treinamento Wolfram Mathematica 8 Desenvolver modelo para PCAF: Óleo Água duto vertical em Wolfram Mathematica 8 18

Obrigado 19

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Back up 24

Resultados Fatores que influenciam nos custos Taxa de juros Tempo de operação (anos) 10 15 20 Taxa de juros (%) 8 10 12 8 10 12 8 10 12 Motor Investim ento 10 3 R$/ano 0,75 0,81 0,88 0,39 0,44 0,49 0,25 0,29 0,33 Chiller 10 3 R$/ano 0,52 0,57 0,62 0,31 0,31 0,34 0,18 0,21 0,23 Produtos Tarifa Água gelada (18) 10 3 R$/ano Energia elétrica 10 3 R$/ano Energia elétrica (R$/MWh) 394,08 394,16 394,25 393,64 393,70 393,76 393,40 393,53 393,57 114,05 114,08 114,12 113,89 113,91 113,93 113,81 113,83 113,86 95,28 95,31 95,34 95,14 95,16 95,18 95,09 95,11 95,12 25

1600 Resultados Fatores que influenciam nos custos - Condições de operação 1400 1200 1000 470,89 479,53 488,81 498,53 380,15 386,65 393,7 401,12 800 124,1 127,83 130,92 133,58 600 243,29 246,87 250,85 255,1 107,72 111,1 113,9 116,35 400 78,78 81,39 83,6 85,54 487,87 497,74 507,61 517,47 594,99 607,37 619,74 632,11 200 322,07 328,26 334,45 340,63 0 91,42 94,44 97 99,25 89,99 92,81 95,16 97,2 88,77 91,44 93,65 95,55 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 50 75 90 Tarifa Energia elétrica(r$/mwh) Custo Total Produtos(103R$/Ano) Custo de energia elétrica(103r$/ano) Custo água Gelada(103R$/Ano) 26

Cogeração Conceitos Produção combinada de duas ou mais formas de energia a partir de um combustível; A utilização do excesso de calor, recuperando-o, substitui, de forma vantajosa a combustão de outros derivados de petróleo; Melhoria de eficiência quando comparado aos sistemas operando isoladamente Vantagens Economia de energia primária Diversidade de produção energética Diminuição dos níveis globais de poluição Desvantagens Necessidade de regulamentação Aumento da poluição local 27

Conceitos Refrigeração por absorção Utiliza Energia Térmica como insumo energético; Baseia-se no princípio que vapores de alguns fluidos refrigerantes são absorvidos por outros líquidos ou soluções salinas, podendo ser separados pelo aquecimento; Utiliza fluidos de trabalho que agridem menos o meio ambiente; Pode ser aplicada nos diversos setores da economia. 28

Refrigeração por absorção Funcionamento Geração do vapor de refrigerante Fluido refrigerante(amônia)segue o circuito frigorífico passando pelo: Condensador Válvula de expansão Evaporador Solução Fraca(Baixa concentração de amônia) segue para o absorvedor, passando por um trocador de calor intermediário e por uma válvula; No absorvedor a solução fraca entra em contato com o vapor de refrigerante, formando a solução concentrada A solução Forte (SF) é bombeada para o gerador de vapor, A (SF) é pré-aquecida no trocador de calor O ciclo reinicia no gerador de vapor. 29

Avaliação Exergética De acordo com Tsatsaronios (1993), a avaliação exergética permite complementar a análise energética da seguinte forma: Oferece melhor medida para avaliação da magnitude da energia perdida em relação à energia total fornecida sob a forma de insumo energético Fornece uma medida da qualidade (ou do desperdício) da energia sob ponto de vista termodinâmico; Fornece uma variável que possibilita definir a eficiência racional, que é a relação entre a exergia do efeito desejado e a exergia necessária ao processo ao sistema energético. 30

Termoecônomia Tsatsaronis (1993) enuncia os objetivos da termoeconômia são eles: Identificar a localização, magnitude e fonte das perdas termodinâmicas(perdas exergéticas, irreversibilidades ou destruição exergética); Calcular os custos associados a exergia destruída e perdida; Calcular os custos de produção para sistemas que têm mais de um produto final; Facilitar estudos de viabilidade e otimização na fase de projeto ou melhoria do processo de um sistema energético existente; Ajudar em decisões de operação de plantas existentes; Comparar diversas alternativas tecnológicas. 31

Metodologia da Pesquisa Modelagem Termodinâmica Análise Energética e Exergética Motor Unidade de refrigeração Modelagem Termoecômica Teoria do custo exergético 32

(Motor) Modelagem Termodinâmica Carga % 37,64 43,86 50,11 56,33 62,61 68,83 75,09 81,28 87,59 93,81 100,00 Velocidade (operação) RPM 1204 1403 1603 1802 2003 2202 2402 2600 2802 3001 3199 Potência W m kw 74,1 86,9 98,4 109 120,7 131,3 140,9 150 157,2 163,5 167,2 Vazão de Gás Natural Temperatura dos gases exaustão Fonte: Leon Heimer (10-3 ) kg/s 4,74 5,61 6,373 7,274 8,036 8,763 9,317 9,941 10,56 11,36 11,60 C 583,8 602,9 619,6 630,7 656 667,6 678,8 695,4 712,5 715,1 733,5 m = 1,122x10.carg a + 7,842x10 gn T =2,372.carga + 499,989 gases 4 4 W m =1,530.(carga) + 21,856 Exc m ar;re al = m ar;ideal. 1+ 100 m gases;re al = m ar;re al + m gn 33

Modelagem Termodinâmica Energia e Exergia (Gás natural) Q& Ex & comb comb = m &.PCI gn = φ.m &.PCI gn H 1,0 = 1, 0334 + 0, 0183 + 0, 0694 C N Energia e Exergia(Gases de exaustão) gases gases m gases 0 PCI = x.pci φ i i i c = Q& = m& cp (T T ) cpm x i.cpi & & ( ) Tg 0 f Ex =m gases gases cpm Tg -T0 - T0 ln T Ex = m& x.ex + RT x lnx ch ch gases gases i i 0 i i i= p i= p i 34

Modelagem Termodinâmica Determinação das eficiências Energéticas (1 Lei da termodinâmica) η = motor W m.100 m.pci gn Energia útil COP ev = = Energia requerida Q W g + b Q η = Global Wm + Q ev.100 m.pci gn Determinação das eficiências Exegéticas ( 2 Lei da termodinâmica) W Ex m ε motor =.100 ev φ.m gn.pci ε refrig = Ex g ε Global Wm + Exev = φ.m.pci gn 35

Modelagem Termoeconômica Divisão da planta em unidades produtivas 22 Condensador 1 11 19 2 7 24 10 Gerador/ Retificador 20 Motor 21 9 Trocador de Calor 23 Resfriador 13 12 4 6 8 Evaporador Absorvedor 17 18 36

Modelagem Termoeconômica Balanço do custo exergético nas unidades produtivas; Aplicação das proposições enunciadas por Valero e Lozano; Teoria do custo Monetário c *.Ex * = c *.Ex * + Z p p f f i Insumo (R$/s) Unidade Produtiva Produtos (R$/s) Z (R$/s) 37

Modelagem Termoeconômica Termoeconomia (Investimento) Fator de Recuperação de capital Relação entre rendimento e capital investido Remuneração de um certo capital durante um certo período de tempo sujeito a uma taxa de juros n A i(1 + i) = n P (1 + i) 1 Custo monetário pontual (A / P) Z i =.Fi t op 38

Sugestões para Trabalhos Futuros Estudo de otimização com base termoeconômica para determinação do ponto ótimo de operação; Implantação da unidade e estudo de validação de dados do simulador; Desenvolver estudo com o aproveitamento da água de arrefecimento do motor; Dimensionamento dos trocadores de calor do sistema de refrigeração por absorção; 39

Conceitos Energia vs. Exergia Energia É dependente de parâmetros de matéria ou fluxo energético somente e independente de parâmetros do ambiente. Tem valor diferente de zero É governado pela 1ª lei da termodinâmica para todos os processos É limitado pela 2ª.lei da termodinâmica para todos os processos inclusive os reversíveis É movimento ou capacidade de gerar movimento Exergia É dependente tanto de parâmetros massa, fluxo de energia e de condições ambientais. É igual a zero para o estado morto ou em equilíbrio com o meio ambiente É governado pela 1ª lei da termodinâmica somente para processos reversíveis (em processos irreversíveis é destruída parcialmente ou completamente) Não é limitado para processos reversíveis devido a 2ªlei da termodinâmica É trabalho ou a capacidade de produzir trabalho É sempre conservada num processo, então não pode ser produzida ou destruída. É sempre conservada para processos reversíveis, mas é sempre degradada em processos irreversíveis. É a medida da quantidade somente É medida da quantidade e qualidade devido a entropia 40