SOLUÇÃO VIA CYCLEPAD E HYSYS DE UMA PLANTA DE POTÊNCIA A VAPOR COM REGENERAÇÃO Joil Lobato FERREIRA, joil.lobato@hotmail.com Bruno Marqu VIEGAS, brunomviga@outlook.com Emanul Ngrão MACÊDO, ngrao@ufpa.br Faculdad d Engnharia Química Univridad Fdral do Pará, UFPA Campu Univritário do Guamá, Rua Auguto Corrêa, 01, 66075-110, Blém, PA, Brail RESUMO. Nt trabalho foi dnvolvido um tudo didático obr um ciclo d potência a vapor nvolvndo o proco d rgnração. O ciclo trmodinâmico foi ralizado m doi oftwar d imulação comumnt utilizado plo profiionai d ngnharia química d outra ára (CyclPad Apn Hyy 2006). Conidrou- qu a planta d potência opra com uma ubtância impl, a água, como fluido d trabalho. Cada quipamnto opra m tado tacionário, o proco ão rvrívi nrgia cinética potnciai ão dprzívi. Foram calculado plo imulador algun parâmtro trmodinâmico important do ciclo d potência, como a ficiência térmica do ciclo, a vazão ncária para dnvolvr dtrminada potência líquida d aída, dntr outro. PALAVRAS-CHAVE: Ciclo d potência, CyclPad, Hyy. 1 INTRODUÇÃO Dvido ao rápido grand avanço na tcnologia, oftwar intlignt multimídia tornaram part nciai do nino da ngnharia. Muita vz no curo tradicionai d ngnharia, o tudo da trmodinâmica é ddicado apna à análi tórica, com a xpctativa d qu rão introduzido mai tard ao aluno conidraçõ concito d projto mai rlvant. Análi d ciclo ão tradicionalmnt, o foco d Trmodinâmica Aplicada. A capacidad do aluno m abordar a complxidad d dtrminado ciclo ralita é batant limitada. Atualmnt, análi do itma trmodinâmico do ciclo d um modo gral ão um trrno fértil para o projto d ngnharia. Por xmplo, xitm gancho para itma d gração d nrgia inovador, dvido a itma d cogração, itma d rgnração raqucimnto, ntr outro (WU, 2006). 1.1 Rgnração A rgnração ou rcupração d calor é muito comum no ciclo d potência conit m tranmitir calor ntr o difrnt proco no ciclo. A rgnração procura carnotizar o ciclo, aqucndo água qu ai da bomba (cao m qutão), fazndo-a paar atravé d uma gunda bomba. Et proco aumnta a ficiência do ciclo. 2 OBJETIVOS O objtivo principal do prnt trabalho é motrar qu o imulador CyclPad o Apn HYSYS 2006 aprntam uma intrfac impl, dinâmica intrativa, qu poibilita ao tudant aprndrm d manira não tdioa a implmntarm divro proco trmodinâmico atravé dta frramnta a podr tndr até para imulação d outro proco indutriai mai complxo. 804
3 METODOLOGIA 3.1 Dcrição do Problma A Figura 1 aprnta um ciclo d potência a vapor com rgnração (tanqu d mitura abrto) tndo como fluido d trabalho a água. Figura 1. Rprntação qumática do ciclo d potência a vapor. A caldira produz vapor a 4000 kpa 400 C vazão máica d 7200 kg/h. E vapor xpand atravé d turbina até 400 kpa. Ao air da primira turbina part do fluido d trabalho xpand m uma gunda turbina até 10 kpa o rtant ntra no tanqu d mitura abrto. O líquido aturado com título igual a zro dixa o condnador ai da primira bomba a 400 kpa. O líquido aturado com título igual a zro dixa o miturador ant d ntrar na gunda bomba. A turbina a bomba opram intropicamnt. O dado prcrito para a imulação do problma foram organizado na Tabla 1. Tabla 1. Dado prcrito para olução do ciclo d potência. Dado Valor Prão na caldira (kpa) 4000 Tmpratura na caldira ( C) 400 Vazão máica qu ai da caldira (kg/h) 7200 Prão ao air da turbina 1 (kpa) 400 Prão ao air da turbina 2 (kpa) 10 Prão no tanqu d mitura (kpa) 400 Prão no condnador (kpa) 10 Eficiência intrópica da turbina bomba(%) 100 3.2 Hipót implificadora quaçõ trmodinâmica para a olução do problma A quaçõ utilizada para dcrvr o balanço d maa nrgia m cada quipamnto ão motrada abaixo: 805
m m m m Ração V t E Q Q ( W 1 W 2) E f E f G ''' V E mc p( T T 0) t E m( H v gh) H H c ( T T ) f 1 2 2 0 p 0 (1-5) Para olucionar o problma propoto dvm- tablcr alguma hipót implificadora para cada quipamnto, ond rão inrida no imulador utilizado para qu o mmo calculm a dmai propridad do ciclo. Ea hipót ão aprntada na Tabla 2. Tabla 2. Hipót implificadora para cada quipamnto. Dipoitivo Turbina Bomba Caldira Condnador Tanqu d Mitura Modlo aumido Adiabática, intrópica não iotérmica Adiabática intrópica Iobárico Iobárico Iobárico Também é conidrado qu cada quipamnto é analiado como um volum d control com coamnto m tado tacionário; não xitm prda d tranfrência d calor; não xit gração ou conumo d nrgia; não há ração química; não xit trabalho do itma obr a vizinhança vic-vra; o proco ão rvrívi; a nrgia cinética potnciai podm r dprzada. A partir da conidraçõ ralizada, podm- obtr a quaçõ para dcrvr o fluxo d maa nrgia m qualqur quipamnto do ciclo: m m Q m H Q m H (6-7) Ond o ubcrito rfrm- à ntrada aída, rpctivamnt. Dprzando- a tranfrência d calor para a vizinhança, o fluido no intrior da turbina xpand rvrivlmnt adiabaticamnt a partir da conidraçõ já citada, a potência diipada na turbina é calculada como: W (8) S t Ond o ubcrito S rfr- ao proco intrópico. A turbina rai produzm mno trabalho, poi o proco d xpanão ral é irrvrívl. Conidrando a ficiência intrópica (η) da turbina tmo: H H Ral (9) Ond H é a variação d ntalpia intrópica. A variação d ntalpia ntr doi tado pod também r calculada com ba no volum pcífico (v) na variação da prão ( P ): H v P (10) 806
A Tabla 3 aprnta o balanço d nrgia para o principai dipoitivo qu rão aprntado no prnt trabalho. Tabla 3. Balanço d nrgia para o dipoitivo. Dipoitivo Turbina Bomba Caldira Condnador Balanço d nrgia W W t b Q Q Tanqu d Mitura Q A potência líquida dnvolvida plo ciclo é calculada como ndo, a potência produzida plo ciclo mno a potência conumida plo mmo: W W W W W (11) ciclo t1 t2 b1 b2 Ond W t1, W t2, W b1 W b2 rprntam a potência da turbina 1 2, da bomba 1 2, rpctivamnt. A ficiência térmica do ciclo pod r calculada pla quação abaixo: ciclo W W W W W Q Q ciclo t1 t 2 b1 b2 (12) 3.3 Simulação Computacional Para olucionar o problma m qutão utilizaram- doi imulador, o CyclPad o Apn HYSYS 2006. O CyclPad é um oftwar intlignt d ngnharia cognitiva, ou ja, d conhcimnto d ngnharia, idal para tudant, dnvolvido plo profor do dpartamnto d ducação informática da univridad do nort ocidntal, Profor Knnth Forbu. El poui um laboratório virtual ond o aluno podm aprndr d forma ficint o concito da trmodinâmica prmit qu o itma jam analiado projtado m um ambint d imulação intrativo aitido por computador. Como um profor ou um ngnhiro mtr, o CyclPad conhc a li da trmodinâmica como aplicá-la. S o uuário comt um rro no projto, o programa é capaz d lmbrar o uuário o princípio nciai ou a tapa do projto qu podm tr ido qucida. S mai ajuda for ncária, o programa pod proporcionar um documnto d tudo, o qual rlata como o ngnhiro rolvram problma mlhant m ituaçõ da vida ral. O CyclPad limina o tédio d aprndr a aplicar a trmodinâmica rlata o qu o uuário vê na tla do computador para o projto d itma rai. O Apn HYSYS 2006 é um imulador d proco bm mai robuto utilizado plo profiionai d ngnharia, capaz d olucionar problma mai complxo não ó d trmodinâmica, ma d proco químico m gral. Ambo o imulador ralizam balanço d maa nrgia m quipamnto d proco pré-dtrminado, dipondo d um banco d dado complto confiávl contndo informaçõ qu prmitm ftuar o cálculo da propridad fíico-química do componnt nvolvido no proco. A Figura 2 3 motram o fluxograma do proco implmntado no CyclPad no Apn HYSYS 2006, rpctivamnt: 807
Figura 2. Fluxograma do proco implantado no CyclPad. Figura 3. Fluxograma do proco implantado no Apn HYSYS 2006. Para o modlo HYSYS uado nt trabalho, Png-Robinon é a quação d tado lcionada para prdizr o parâmtro trmodinâmico. Da muita quaçõ qu o programa ofrc a quação d tado Png-Robinon uporta a maior taxa m condiçõ d opração a mlhor varidad do itma. Eta quação d tado rproduz dirtamnt todo quilíbrio rqurido a propridad trmodinâmica. A quação d Png-Robinon é aprntada abaixo: RT a P V b V V b b V b 3 2 2 3 Z 1 B Z A 2B 3B Z AB B B 0 (13-14) A quação d Png-Robinon aplicada no HYSYS é imilar à quação original, qu tnd ua taxa d aplicabilidad rprnta mlhor o quilíbrio líquido-vapor d itma complxo. 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Para podr comparar o rultado obtido plo doi imulador, rolvu- o problma a partir da quaçõ aprntada antriormnt. A ntalpia ntropia utilizada para dcrvr cada tado do ciclo d potência foram rtirada d um oftwar conhcido como CATT3 808
(Computr - Aidd Trmodynamic Tabl 3). O oftwar CATT3 é como fo uma tabla computadorizada para o ambint d computador Window autoxplicativo, abrangndo um conjunto d ubtância como fluido rfrigrant, criogênico também a água. A partir d uma ou dua propridad inrida no programa, pod- obtr vária outra propridad como a nrgia intrna, ntalpia, ntropia, volum pcífico, a fa, dntr outra. O programa tm ainda uma ára para obtr propridad d aturação da ubtância. Conform pod- obrvar na Tabla 4, o rultado obtido plo doi imulador CyclPad Apn HYSYS 2006 motraram- cornt, poi o valor numérico ncontram- muito próximo. Tabla 4. Rultado obtido para difrnt análi. Parâmtro CyclPad Hyy Eficiência Térmica do Ciclo (%) 37,46 37,28 Calor cdido pla caldira (kj/h) 1,875x10 7 1,879x10 7 Calor librado no condnador (kj/h) 1,173x10 7 1,179x10 7 Fração da corrnt 7 (%) 16,55 17,05 5 CONCLUSÃO D acordo com o rultado obtido, tanto o CyclPad quanto o Hyy motraram- frramnta ficaz para prdizr ciclo d potência a vapor com rgnração, haja vita, qu a análi do comportamnto do dado imulado m modo dinâmico também aprntou rultado cornt, com fito dntro do prado para o fluido m qutão. Com io, vrificou- qu o mprgo d oftwar pod r utilizado como altrnativa auxiliar no cálculo do balanço d maa nrgia d divro problma trmodinâmico. 6 REFERÊNCIAS BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamnto d Trmodinâmica. 7ª Ed. Univrity of Michigan. John Wily & Son, Inc. 2009. 894p. BOURÉE, B. Ciclo térmico. In: Curo d Economia d Enrgia na Indútria. Rio d Janiro: IBP - Intituto Brailiro do Ptrólo, 1982. 35p. FRANCESCHINI, F. J. V. A. Tranfrência do Calor à Carga no Forno d Raqucimnto. In: Curo d Economia d Enrgia na Indútria. Rio d Janiro: IBP - Intituto Brailiro do Ptrólo, 1982. 16 p. MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Fundamnto d Trmodinâmica da Engnharia. 5ª Ed. Wt Sux PO19 8SQ. John Wily & Son Ltd. 2006.831p. PEREIRA, A. C.; MUSTAFA, G. S. Curo Técnico m Proco Indutriai: Equipamnto d Troca Térmica. Salvador: CETIND Cntro d Tcnologia Indutrial Pdro Ribiro, 2000. 809
SERRA, O. C. Idntificação d Oportunidad para Rdução da Prda d Água Enrgia m um Sitma d Gração Ditribuição d Vapor. Mtrado Profiional m Grnciamnto Tcnologia Ambintai no Proco Produtivo. Salvador, 2006. SINGER, J. G. Combution Foil Powr: A rfrnc Book on Ful Burning and Stam Gnration. 4ª Ed. Windor: Combution Enginring, 1991. 750p. WU, C. Thrmodynamic and Hat Powrd Cycl: a cognitiv nginring approach. Nova Scinc Publihr, Inc. Nw York. 2006 810