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Curso de Vapor - SINATUB Data: 28 e 29 de Agosto de 2003

Local : Hotel Nacional Inn Village - Auditório Cenacon Ribeirão Preto - S.P.

Geração, Distribuição, Utilização e Consumo

Tecnologia de Cogeração de Energia

Palestrante: Engº Reynaldo Lagonera Quinto

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Índice

Pagina 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 3

2 EMBASAMENTO TEÓRICO....................................................................... 3

3 CICLOS DE POTÊNCIA USADOS NA COGERAÇÃO DE ENERGIA ..... 11

3.1 Ciclos Termodinâmicos Básicos.......................................................... 14 3.2 Ciclos Alternativos ................................................................................ 21 3.3 Ciclos e Processos Inovativos ............................................................. 26

4 COGERAÇÃO DE ENERGIA ................................................................... 35

4.1 Introdução .............................................................................................. 35 4.2 Cogeração com Turbinas a Vapor........................................................ 38 4.3 Cogeração com Turbinas a Gás ........................................................... 41 4.4 Cogeração em Ciclo Combinado.......................................................... 43 4.5 Cogeração com Motores de Combustão Interna ................................ 51 4.6 Custos de Geração ................................................................................ 52

5 CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO DE CALOR ....................................... 54

5.1 Introdução .............................................................................................. 54 5.2 Tipos básicos ......................................................................................... 54 5.3 Conceitos Gerais de Dimensionamento .............................................. 60 5.4 Aspectos Construtivos.......................................................................... 61 5.5 Rendimento ............................................................................................ 62 5.6 Sistema de Tiragem dos Gases de Exaustão ...................................... 63 5.7 Fabricantes............................................................................................. 65

6 EQUIPAMENTOS DE CICLO TÉRMICO.................................................. 67

6.1 Condensador e Torres de Resfriamento.............................................. 67 6.2 Desaerador e Pré-Aquecedores de Água de Alimentação ................. 72 6.3 Bombas................................................................................................... 74

7 ENCERRAMENTO.................................................................................... 83

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1 INTRODUÇÃO Já foi pensamento comum, no passado, que o termo cogeração significava a operação em paralelo do sistema de um autoprodutor com a rede elétrica da concessionária. Cogeração, conceito adotado internacionalmente e definido pela ABNT como o uso de uma fonte energética única (normalmente referenciada ao combustível) para produzir duas formas diferentes de energia - energia elétrica ou mecânica e energia térmica. A maioria da literatura disponível sobre o assunto usa a definição “geração simultânea de eletricidade e de calor”, o que não está errado, mas também não está rigorosamente correto. Em primeiro lugar, nem sempre prevalece a combinação eletricidade e calor, energia elétrica e energia térmica. Em alguns casos, a coligação pode ser a energia mecânica com a energia térmica. Em segundo lugar, a geração de energia não é efetuada de forma simultânea, mas de modo seqüencial. Portanto, modificando-se a definição anterior de cogeração, teremos finalmente a seguinte definição:

Cogeração é a produção seqüencial de duas formas de energia (normalmente elétrica e térmica), através de uma única fonte energética.

2 EMBASAMENTO TEÓRICO A cogeração está alicerçada em princípios termodinâmicos. A termodinâmica, no seu sentido mais amplo, é uma ciência que trata dos vários fenômenos de energia e das propriedades relacionadas à matéria, especialmente no que concerne às leis das transformações de calor para outras formas de energia, e vice versa. Na prática, a engenharia termodinâmica se baseia nas transferências de energia através de fluidos que transportam trabalho e que são utilizados em máquinas térmicas. Essas máquinas podem ser projetadas para produzir trabalho através da queima de combustíveis ou da transferência de calor.

O projeto, a operação e o desempenho de usinas termelétricas de cogeração, dependem consideravelmente dessa ciência. A importância dessa ciência fica mais evidente quando consideramos que máquinas térmicas, tais como turbinas e motores de combustão interna, respondem por 90% da potência motriz mundial, os outros 10% são fornecidos por centrais hidrelétricas. É importante ressaltar que quase 60% do consumo mundial de energia primária é destinado ao acionamento de motores térmicos.

Definições Básicas:

SISTEMA É definido como uma porção do universo, seja um átomo, uma certa quantidade de matéria ou um certo volume no espaço, que se deseja estudar. É uma região circundada por fronteiras específicas, as quais podem ser imaginárias, estar em movimento ou em repouso. Em termodinâmica, o termo SISTEMA identifica o objeto da análise.

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SISTEMA FECHADO É um sistema com quantidade fixa de matéria, sem adição ou diminuição de massa com o meio exterior.

SISTEMA ABERTO É o que envolve transferência de massa e energia com o meio exterior.

PROPRIEDADE É a característica MACROSCÓPICA de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não depende do histórico deste sistema. Uma determinada quantidade ou característica (massa, volume, temperatura, etc.), é uma PROPRIEDADE somente se a mudança de seu valor entre dois estados é independente do processo.

As propriedades termodinâmicas para uso em engenharia são apresentadas em várias formas, incluindo gráficos, tabelas e equações. Adicionalmente, valores de propriedades termodinâmicas para um crescente número de substâncias estão disponíveis em programas para micro-computadores.

SUBSTÂNCIA PURA É definida como aquela que possui uma composição química fixa. Não precisa ser um elemento químico ou composto. Uma mistura de vários elementos pode ser uma substância pura, desde que a mistura seja homogênea. O estado de equilíbrio dessas substâncias é definido pelas suas propriedades. Como exemplos de substâncias puras temos a água, o hélio e o dióxido de carbono.

ESTADO É a condição do sistema descrita por suas propriedades. Como normalmente existem relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos de subconjunto.

PROCESSO É a mudança de estado da matéria, devido à modificação de uma ou mais propriedades. Processos básicos de mudança de estado da matéria: Processo isocórico ou isométrico – o que se passa a volume constante; Processo isobárico – o que se processa à pressão constante; Processo isotérmico – o que ocorre à temperatura constante; Processo adiabático – aquele que ocorre sem troca de calor com o ambiente; Processo isentrópico – é o processo reversível e adiabático.

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ESTADO ESTACIONÁRIO É aquele cujas propriedades são imutáveis em função do tempo.

CICLO TERMODINÂMICO É definido como a seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo estado (exemplo: o vapor circulando num ciclo de potência). Os ciclos dos processos reversíveis são chamados de ciclos ideais. Os ciclos reais são, porém, formados por processos irreversíveis.

ENERGIA INTERNA, U É a soma das energias cinética e potencial de um corpo ou de uma substância. È a energia armazenada dentro de um corpo, em virtude da atividade e configuração de suas moléculas e das vibrações dentro dessas moléculas.

CALOR, Q Podemos definir como a energia em trânsito que passa de um corpo ou de sistema para um outro, unicamente por causa da diferença de temperatura entre os corpos ou sistemas. Representa a parte da energia interna transferida num processo termodinâmico (recebida ou rejeitada por um corpo).

Para processos reversíveis usando vapor num sistema estático (sem fluxo), o calor terá as seguintes expressões:

Para um processo a volume constante: Q = W + ∆U = U2 – U1

Para um processo à pressão constante: Q = W + ∆U = p (V2 – V1) + (U2 – U1) = H2 – H1

Para um processo adiabático: Q = 0

TRABALHO, W É a energia em trânsito que atravessa as fronteiras de um sistema e pode se manifestar com o efeito único de levantamento ou deslocamento de um peso. O TRABALHO é parte também da energia interna transmitida num processo termodinâmico. Distingue-se do calor no sentido de que a transferência de energia é acompanhada por um movimento visível do corpo ou, às vezes, por uma mudança de volume. Há duas formas de transferência de trabalho: 1) Transferência por deslocamento (exemplo: movimento do êmbolo de um pistão);

Para uma relação contínua e reversível entre as propriedades p (pressão) de uma substância e V (volume) a expressão do trabalho transferido é:

W = ∫2

1

p dV

Para um processo a volume constante: W = ∫2

1

p dV = 0

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Para um processo `a pressão constante: W = ∫2

1

p dV = p (V2 – V1)

Para um processo adiabático (pvk = c) : W = ∫2

1

p dV = 1

2211

−−k

VpVp

2) Transferência de trabalho por eixo (exemplo: movimento giratório de uma turbina).

Chamando de T o torque e de θ o deslocamento angular originado pelo torque, a expressão deste trabalho reversível é:

W = ∫2

1

T dθ

ENTALPIA (Símbolo H) A propriedade definida pela soma da Energia Interna (U) e do produto pV (Pressão e Volume) é denominada entalpia. É a energia total de uma corrente gasosa ou líquida composta pela energia interna U e o trabalho de deslocamento pV. H = U + pV (kcal) A entalpia específica ou a entalpia de um corpo com massa m é h = H/m (kcal/kg) ENTROPIA (Símbolo S) O termo entropia foi introduzido pela primeira vez em 1865 por um físico alemão Clausius. É uma propriedade de um sistema tal como pressão e temperatura. Para um sistema termodinâmico fechado, é uma medida quantitativa da energia indisponível para realizar trabalho. É uma propriedade do sistema que varia diretamente com a transferência reversível do calor e inversamente com a temperatura absoluta em que a mudança se deu, ou seja: quando adicionamos a um corpo, com temperatura T, uma quantidade infinitamente pequena de calor dQ, a variação na entropia do corpo vale ds= dQ/T (somente para um processo reversível) Com a adução de uma quantidade finita de calor Q a mudança de entropia vale,

S2 − S1 = ∆ S = ∫2

1

dQ/T

A Primeira Lei de Termodinâmica

Uma das leis fundamentais da natureza é o princípio de conservação de energia. Afirma-se simplesmente que durante uma interação, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia mantem-se constante. A energia não pode ser criada nem destruída. A energia do sistema que passa por uma mudança

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(processo) pode ser aumentada ou diminuída por intercâmbio com o ambiente, e convertida de uma forma para outra dentro do sistema.

A primeira lei nos conduz ao conceito da equivalência entre calor e trabalho, ou seja: o calor pode ser convertido em trabalho mecânico e vice-versa. Uma quantidade de calor Q pode, da mesma forma que a energia potencial, cinética, ou elétrica, produzir um trabalho W, ou, inversamente, este pode se transformar em calor. Essa relação expressa-se da seguinte forma: Q = AW Onde o fator de proporcionalidade A é chamado de equivalente mecânico de calor.

Sabemos que a única forma de se modificar a energia interna de um corpo é alterando a quantidade de calor (Q) ou realizando trabalho (W) sobre o mesmo. Portanto, com base na lei da conservação de energia, temos dQ = dU + dW Essa equação representa a expressão matemática da primeira lei da termodinâmica. Enuncia que a quantidade de calor dQ aduzida a um fluído, produz um aumento da energia interna dU e trabalho externo dW.

Para que uma máquina térmica consiga converter calor em trabalho, a mesma deve operar em um ciclo a partir de duas fontes térmicas, uma quente e outra fria, onde retira-se calor da fonte quente (Q1), converte-o em trabalho (W), e o restante (Q2) do calor é rejeitado para a fonte fria.

A Segunda Lei de Termodinâmica

A primeira lei é nada mais do que uma lei de balanço energético que enuncia o intercâmbio e a conversibilidade da energia e assegura que toda a energia é “contabilizada”. A primeira lei não indica se as conversões de energia de uma forma para outra são realizadas perfeitamente ou se algumas formas podem ser transformadas completamente para outras. Tal indicação foi deixada por conta da segunda lei da termodinâmica.

A 2ª lei da termodinâmica impõe limitações na transformação de algumas formas de energia. Ela estabelece que a energia tem qualidade, bem como quantidade, e que os processos existentes ocorrem na direção de decréscimo de qualidade de energia. O calor, por exemplo, só pode fluir de corpos quentes para corpos frios.

Na aprendizagem da tecnologia de cogeração, o interesse principal focaliza-se em duas formas de energia: calor e trabalho. É importante entender que a segunda lei não nega a equivalência de conversão dessas duas formas, apenas o grau de conversão. Como se pode discernir, o trabalho é a commodity mais importante, pois pode ser completamente e continuamente convertido em calor. O contrário não é possível. O calor não pode ser completamente e continuamente convertido em trabalho. Em outras palavras, o calor não é totalmente disponível para fazer trabalho continuamente, i.e.

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dentro de um ciclo (num processo a possibilidade existe). A porção do calor que não pode ser convertida em trabalho deve ser rejeitada para um reservatório frio (corpos de água ou mesmo a atmosfera).

Portanto, conquanto a energia é conservada, a sua disponibilidade não o é. A disponibilidade de um sistema é sempre decrescente. Uma outra forma de se expressar a segunda lei da termodinâmica, é que a eficiência térmica na transformação contínua de calor em trabalho, numa máquina térmica, deve ser sempre inferior a 100%.

O Conceito de Reversibilidade

O conceito de reversibilidade foi introduzido pela primeira vez em 1824 por Nicolas Leonard Sadi Carnot, um engenheiro francês que estabeleceu também as bases da segunda lei e introduziu o conceito atual de um ciclo termodinâmico.

A reversibilidade aplica-se exclusivamente a processos. Os processos podem ser reversíveis ou irreversíveis. Nos processos reversíveis, as substâncias, ao mudarem de estado, são capazes de retornar a seu estado inicial, sem perdas. Obviamente, não há processos reversíveis ou ideais no mundo real. Processos reais são irreversíveis, ou seja: sempre acompanhados de algum tipo de perda. Essas perdas podem ser causadas por atrito, reações químicas, vazamentos etc. Para efeito de estudo da termodinâmica, os processos reais (irreversíveis) podem ser representados por modelos formados por equações ideais (reversíveis),baseados no equilíbrio de duas propriedades, multiplicados ou divididos por fatores que chamamos de eficiência do processo.

Diagramas de Propriedades (T-S, P-v e Mollier) e Tabelas de Vapor

As fases ou estados de uma substância e os relacionamentos entre as suas propriedades são comumente mostrados e analisados por meio de gráficos conhecidos como diagramas de propriedades. Há cinco propriedades básicas de uma substância que são normalmente mostradas em diagramas de propriedades. São: pressão (P), temperatura (T), volume específico (v), entalpia específica (h), e entropia específica (s). No caso de uma mistura de duas fases, tal como água e vapor, uma sexta propriedade é dotada, o título (x). Existem seis tipos de diagramas de propriedades comumente encontrados: Diagrama P-T (Pressão-Temperatura); Diagrama P-v (Pressão-Volume Específico); Diagrama P-h (Pressão-Entalpia Específica); Diagrama h-T (Entalpia Específica-emperatura); Diagrama T-s (Temperatura-Entropia Específica); Diagrama de Mollier (Entalpia-Entropia).

Para o estudo de ciclos de potência envolvendo vapor de água, os últimos dois diagramas, o T-s e o Mollier, são os preferidos. Para os ciclos de potência de gás

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como o Brayton, e os ciclos de potência dos motores de combustão interna, os diagramas P-v e T-s são os mais utilizados.

Observando as particularidades do diagrama T-s, entende-se porque ele é muito útil na análise de ciclos de vapor.

Viu-se anteriormente a expressão matemática de entropia para um processo ideal:

∆ S = ∫2

1

dQ/T

Podemos re-arranjar essa expressão sem afetar a sua validade, logo teremos:

∆ Q = ∫2

1

T dS (para as transformações reversíveis)

Nota: ∆ Q < ∫2

1

T dS (para as transformações irreversíveis)

No caso ideal de um processo adiabático (ocorrendo sem ganho ou perda de calor) e reversível, ∆ Q = 0 e sendo reversível obedece a equação básica, portanto:

∫ T dS = 0

Porque a temperatura T não pode ser zero, dS = 0 S = constante Fazendo a representação gráfica dessa equação tendo a entropia no eixo das abscissas e a temperatura no das ordenadas, observa-se que a área abaixo da curva de processo representa a quantidade de calor transferida durante o processo. Isto é um importante atributo da entropia, pois possibilita a visualização do calor adicionado ou removido do sistema, bem como do trabalho realizado. É uma ferramenta muito útil para se representar processos e se analisar ciclos termodinâmicos.

O diagrama de Mollier é um outro instrumento bastante utilizado na análise dos processos e ciclos termodinâmicos a vapor.

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O gráfico contém uma série de linhas de temperatura constante, uma série de linhas de teor de umidade constante (título do vapor), e uma série de linhas de superaquecimento constante. O diagrama de Mollier é usado para o vapor saturado somente quando o título é superior a 50% e para o vapor superaquecido.

Outra ferramenta importante para a análise dos ciclos de vapor são as tabelas de vapor. Consistem de dois conjuntos de tabelas indicando as propriedades de transferência de energia de água e vapor, tabelas de vapor saturado e tabelas de vapor superaquecido. As tabelas compilam valores de pressão (P), temperatura (T), volume específico (v), entalpia específica (h), e entropia específica (s).

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3 CICLOS DE POTÊNCIA USADOS NA COGERAÇÃO DE ENERGIA As raízes das 1ª e 2ª leis da termodinâmica estão relacionadas com os estudos de ciclos. Para converter energia em suas diversas formas, particularmente em calor, com a finalidade de realizar trabalho de modo contínuo, precisa-se operar no âmbito de um ciclo termodinâmico. Um processo começa num determinado estado do fluído de processo e termina num outro, e pára por ai. O ciclo, por outro lado, como já se viu anteriormente, é uma série de processos que começa e termina no mesmo estado, e portanto pode se repetir indefinidamente, ou até quando se quiser.

Os ciclos termodinâmicos são importantes em várias aplicações da engenharia, como: Geração de energia; Propulsão de veículos; Refrigeração.

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Podem ser divididos em duas grandes categorias, ciclos de potência e ciclos de refrigeração, dependendo da finalidade a que se destinam. Os ciclos de potência são destinados a produzir um trabalho líquido positivo, e os equipamentos utilizados para a realização dos mesmos são conhecidos, coletivamente, pelo nome de máquinas térmicas e motores de calor.

O Ciclo de Carnot e a Terceira Lei da Termodinâmica

Foi Sadi Carnot, um engenheiro francês responsável pelo estabelecimento das bases da segunda lei da termodinâmica, que introduziu o conceito de um ciclo termodinâmico pela primeira vez. O ciclo, conhecido como o ciclo de Carnot, é o ciclo termodinâmico mais eficiente possível, o qual estabelece o limite teórico para a eficiência dos ciclos de potência.

O ciclo acadêmico proposto por Carnot é um ciclo ideal e, portanto, apenas hipotético, pois sabemos que ciclos ideais com processos reversíveis não existem. Apesar disso, o ciclo de Carnot é considerado a pedra angular da termodinâmica e serve como o principal referencial para se avaliar o desempenho de outros ciclos de potência. O ciclo de Carnot opera entre dois reservatórios térmicos: um reservatório quente, que é a fonte de calor, e um reservatório frio, para onde o calor excedente é rejeitado. O fluido de trabalho que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos internamente reversíveis:

Processo 4-1: O fluído de trabalho é comprimido, isentropicamente, do estado 1 até estado 2.

Processo 1-2: O fluído de trabalho é colocado em contato com o reservatório quente e absorve energia térmica, isotermicamente, do reservatório, por transferência de calor.

Processo 2-3 O fluído se expande, isentropicamente, até atingir a temperatura do reservatório frio.

Processo 3-4: O fluído é colocado em contato com o reservatório frio para efetuar a rejeição de calor residual e é comprimido, isotermicamente, até o seu estado inicial, enquanto perde energia térmica para o reservatório frio, por transferência de calor.

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Calculando o calor absorvido teremos QA = TH (S2– S1),

Similarmente, calculando o calor rejeitado teremos QR = TL (S3 – S4),

O trabalho efetivo corresponde à diferença entre o calor absorvido e o calor rejeitado, ou seja:

W = ΣQ = TH (S2 – S1) – TL (S3 – S4)] = (TH – TL) (S2 – S1), onde S3 – S4 = S2 – S1

Uma atribuição significativa do diagrama T-s fica evidente agora: a área envolvida pelas linhas de processo no diagrama representa o trabalho realizado por unidade de massa, sendo que o trabalho será sempre equivalente ao calor absorvido menos o calor rejeitado . A eficiência térmica ou o rendimento do ciclo é definida como a razão entre o trabalho feito e o calor que teve que ser fornecido ao sistema durante o ciclo, logo:

L

H

A

R

A

RA

AC T

TQQ

QQQ

QW

−=−=−

== 11η

A equação, para a eficiência, mostra que ela só pode valer 1, correspondendo a 100% de eficiência, se o calor QR liberado pelo sistema para o reservatório mais frio for nulo. Esta eficiência pode ser reescrita apenas em termos das temperaturas TH e TL dos dois reservatórios, deste modo a eficiência de um ciclo de Carnot, para um gás ideal, é função apenas da razão entre as temperaturas do reservatório frio e do reservatório quente.

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Quando o físico inglês William Thomson (mais conhecido como Lord Kelvin) obteve esta relação, ele percebeu que ela poderia ser usada para se definir uma escala absoluta de temperatura, que não fizesse referência a qualquer material usado para essa medição. Isto porque as propriedades do ciclo de Carnot são independentes da substância de trabalho usada. Esta escala é conhecida atualmente como escala de temperatura absoluta, ou escala Kelvin. Por convenção, a temperatura de referência para a escala Kelvin é a temperatura na qual podem coexistir em equilíbrio, gelo, água no estado líquido e vapor d’água, um estado conhecido como ponto triplo da água. O valor atribuído para essa temperatura de referência é de 273,16 K, lembrando que – 273,16° C ou 0° K, corresponde, teoricamente, à total ausência de calor.

Como vimos anteriormente, a fórmula para a eficiência do ciclo de Carnot mostra que ela só pode ser igual a 1 se a temperatura do reservatório frio for de 0º K. Se isto fosse possível, qualquer máquina de Carnot operando entre um reservatório quente a uma temperatura TA e um reservatório frio a TB = 0º K, converteria todo o calor QA recebido do reservatório quente em trabalho. Usando esta idéia, Kelvin definiu o zero absoluto da seguinte maneira: O zero absoluto é a temperatura de um reservatório em contato com o qual uma máquina de Carnot não perde calor. Experimentalmente ainda não se atingiu e teoricamente é impossível se atingir o zero absoluto. O fato de que se pode chegar próximo do zero absoluto de temperatura sem nunca atingi-lo, é conhecido como a terceira lei da termodinâmica.

3.1 Ciclos Termodinâmicos Básicos Há quatro ciclos de potência geralmente usados na geração de eletricidade: o ciclo Rankine, o ciclo Brayton, o ciclo Otto, e o ciclo Diesel. O ciclo Rankine é utilizado na maioria das usinas termelétricas que operam em regime básico. O ciclo Brayton é o ciclo de potência adotado para turbinas a gás, freqüentemente utilizadas para a operação nos horários de pico de demanda elétrica. Os ciclos Otto e Diesel são os de motores de combustão interna que acionam os geradores geralmente empregados para aplicações de geração menores.

3.1.1 Ciclo Rankine Os desenvolvimentos iniciais da termodinâmica concentraram-se no melhoramento do desempenho de motores a vapor. Era desejável criar um ciclo que aproximasse o máximo possível da condição ideal de reversibilidade e que se adequasse às características do vapor e ao controle do processo melhor do que o ciclo de Carnot. Nessa direção é que o ciclo Rankine foi desenvolvido.

O ciclo Rankine foi criado por um inventor escocês que lecionava na Universidade de Glasgow, William John M. Rankine, que em 1859 escreveu o primeiro livro sobre termodinâmica. Foi o primeiro modelo de comparação de usinas termelétricas a vapor que teve aceitação pela comunidade científica mundial e que continua sendo o modelo utilizado até hoje.

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O ciclo Rankine é um ciclo do tipo líquido-vapor, diferente do ciclo Carnot, que é um ciclo adequado para todos os tipos de fluídos. São quatro os processos num ciclo Rankine ideal, a saber:

Processo 1-2: Compressão isentrópica do fluído de trabalho (em estado líquido);

Processo 2-3: Aquecimento isobárico e ebulição do fluído de trabalho;

Processo 3-4: Expansão isentrópica do fluído de trabalho (estado de vapor saturado);

Processo 4-1: Rejeição de calor isobárico até a condensação total do vapor.

Para a realização do ciclo Rankine ideal utilizam-se quatro equipamentos básicos:

Uma bomba para efetuar a compressão isentrópica do fluído de trabalho que neste ponto se encontra no estado líquido, possibilitando assim a sua entrada no segundo equipamento que é;

Uma caldeira para aquecer o liquido até o ponto de saturação e posteriormente evaporá-lo até tornar-se vapor saturado;

Uma turbina onde o vapor saindo da caldeira é expandido para realizar trabalho, e por fim;

Um condensador para resfriar o vapor e transformá-lo em líquido, permitindo assim sua reentrada no ciclo através do bombeamento.

O ciclo Rankine ideal inclui ainda a possibilidade de superaquecimento. Neste caso, o processo de aquecimento continuaria após o vapor atingir o ponto de saturação e só terminaria ao se chegar à temperatura desejada. O superaquecimento aumenta sensivelmente a eficiência térmica do ciclo e, adicionalmente, garante que o vapor que entra na turbina não contém umidade, o que pode provocar o desgaste das palhetas.

O ciclo Rankine não é tão eficiente como o ciclo Carnot, porém é mais prático, sendo que a compressão não se realiza numa região de mistura líquido-vapor e exige apenas

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um pequeno trabalho. A água é praticamente a única substância utilizada no ciclo Rankine como fluído de trabalho, devido a sua abundância e porque possui boas propriedades térmicas.

A análise do ciclo Rankine ideal é simples. Considerando como base uma unidade de massa do vapor: Trabalho de bombeamento: WP = (h1 h2) = h2 h1

Calor adicionado: QA = h3 h2

Trabalho da turbina: WT = h3 h4

Calor rejeitado: QR = h4 – h1 Trabalho líquido W = (h3 h4) (h2 h1)

Eficiência térmica, ηR:

( ) ( )( )23

1243

hhhhhh

QW

AR −

−−−==η

Ciclos de Vapor para Usinas Modernas As representações dos ciclos de potência a vapor apresentadas até agora não retratam fielmente as usinas termelétricas a vapor modernas. De maneira geral, várias modificações precisam ser incorporadas a esses ciclos para se melhorar o desempenho global, sendo as mais conhecidas o superaquecimento e o reaquecimento de vapor.

O ciclo Rankine ideal inclui a possibilidade de superaquecimento. Neste caso, o processo de aquecimento continuaria após o vapor atingir o ponto de saturação e só terminaria ao se chegar à temperatura desejada. O superaquecimento aumenta sensivelmente a eficiência térmica do ciclo e, adicionalmente, garante que o vapor que entra na turbina não contém umidade, o que provocaria o desgaste prematuro das palhetas. O superaquecimento é realizado através de uma superfície de troca de calor adicional, conhecida como superaquecedor. Na terminologia de engenharia de usinas termelétricas, a combinação de uma caldeira e um superaquecedor é denominada gerador de vapor. Nos geradores de vapor modernos são normalmente empregadas duas ou mais seções de superaquecedores, dependendo do grau de superaquecimento desejado. O ciclo de vapor com superaquecimento possui uma temperatura média de adução de calor mais elevada do que o ciclo sem superaquecimento, proporcionando, dessa forma, uma eficiência térmica mais alta. Além disso, o título do vapor no final da expansão dentro da turbina é sempre maior, se comparado ao estado final do vapor expandido, sem superaquecimento.

Uma modificação adicional normalmente utilizada é o reaquecimento do vapor. No ciclo com reaquecimento, o vapor não é expandido até a pressão do condensador num único estágio. O vapor expande-se através de uma turbina de primeiro estágio até uma pressão intermediária entre a pressão do vapor superaquecido e a pressão do condensador. Neste caso, o vapor é extraído de um estágio intermediário da turbina e é re-introduzido no gerador de vapor, onde é reaquecido. Após o reaquecimento, o

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vapor volta à turbina e expande-se num segundo estágio, até a pressão do condensador. Como no caso do superaquecimento, as principais vantagens do reaquecimento são o aumento da eficiência térmica e o aumento do título do vapor.

No ciclo Rankine, mesmo com os melhoramentos através do uso de superaquecimento e de reaquecimento, a água fria é admitida para a alimentação da caldeira, a qual se mistura com a água quente dentro da mesma. Além de provocar choque térmico, essa mesclagem ocasiona um alto grau de irreversibilidade termodinâmica. O método usualmente utilizado para reduzir essa irreversibilidade é o aquecimento regenerativo da água de alimentação ou simplesmente regeneração. Essa solução aumenta a eficiência térmica do ciclo de vapor e faz com que a água de alimentação entre na caldeira no seu estado saturado. O processo de regeneração adotado em usinas termelétricas envolve a extração de uma parte do fluxo de vapor da turbina em determinados pontos de expansão, utilizando-se o calor residual do vapor para o pré-aquecimento da água de alimentação da caldeira, por meio de trocadores de calor especialmente projetados para essa finalidade. O aquecimento se realiza numa série de passos sucessivos e não continuamente. A água produzida por condensação do vapor nos pré-aquecedores geralmente se junta à água de alimentação, que é impulsionada por meio de bombas.

3.1.2 Ciclo Brayton O ciclo de potência utilizado em turbinas a gás foi originalmente proposto por dois inventores, separadamente: o cientista inglês James Prescott Joule e o engenheiro americano da cidade de Boston, Estados Unidos, chamado Geoge Brayton. Portanto o ciclo termodinâmico de turbinas a gás tem dois nomes: ciclo Brayton e ciclo de Joule. Como é sabido, o primeiro prevalece atualmente. Há poucas pessoas que o chamam de ciclo de Joule.

A primeira turbina a gás, construída com êxito em 1939 pela Heinkel Aircraft Company, continua sendo o modelo para praticamente todos os aviões,(exceto os de pequeno porte), assim como para muitos barcos de alta velocidade e, cada vez mais, na geração de energia elétrica.

No ciclo Brayton ideal, o fluído de trabalho é o ar, o qual passa por quatro processos: Processo 1-2: O ar é introduzido num compressor onde é submetido a compressão

isentrópica;

Processo 2-3: O ar comprimido é conduzido para uma câmara de combustão, onde recebe calor à pressão constante, através da queima do combustível. O ar, neste processo, serve como comburente para o processo da queima;

Processo 3-4: Os produtos da combustão entram na turbina e se expandem isentropicamente;

Processo 4-1: O calor restante é lançado à atmosfera à pressão constante.

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Considerando como base uma unidade de massa do ar: Trabalho de compressão: WC = (h1 h2) = h2 h1 Calor adicionado: QA = h3 h2

Trabalho da turbina: WT = h3 h4

Calor rejeitado: QR = h4 – h1 Trabalho líquido W = (h3 h4) (h2 h1) Eficiência térmica:

( ) ( )( )23

1243

hhhhhh

QW

AR −

−−−==η

3.1.3 Ciclo Otto Os motores alternativos de combustão interna trabalham com dois tipos de ciclo: o ciclo Otto e o ciclo Diesel.

O ciclo Otto, de quatro tempos, foi desenvolvido em 1867 por Nikolaus August Otto, um engenheiro alemão. É considerado o protótipo ideal para a grande maioria de pequenos motores de combustão interna e largamente utilizado em transportes nos dias de hoje.

No ciclo ideal Otto do tipo padrão a ar, adota-se o ar como o fluído de trabalho, o qual passa por quatro transformações: duas adiabáticas e duas isométricas. Nessas condições, os motores são classificados como de quatro tempos e os processos inerente ao seu ciclo são:

Processo 1-2: Compressão isentrópica – em que a mistura de vapor de combustível (que presumimos como sendo a gasolina) e de ar entra à pressão

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19

constante em 1 (admissão) e é comprimida, adiabaticamente, até 2 (compressão);

Processo 2-3: Adicionamento de calor – a mistura é aquecida instantaneamente por meio da combustão da mistura, enquanto o volume permanece constante. A pressão e a temperatura aumentam devido à centelha elétrica da vela, que promove a ignição da mistura (ignição ou explosão);

Processo 3-4: Expansão isentrópica – em que os gases expandem-se adiabaticamente realizando trabalho do motor (expansão);

Processo 4-1: Rejeição de calor – os gases são descarregados do motor e lançados à atmosfera a volume constante (exaustão), completando assim um ciclo.

Independentemente do tipo de fluído de trabalho para o caso de um processo reversível num sistema estático (sem fluxo), o calor Q = ∆U, portanto:

Calor adicionado: QA = U3 – U2 = m ∫ cv dT = mcv23 (T3 – T2)

Calor rejeitado: QR = U1 – U4 = m ∫ cv dT = – mcv 41(T1 – T4) = mcv41 (T4 – T1)

Trabalho líquido W = ΣQ = mcv 23(T3 – T2) – mcv41(T4 – T1)

Eficiência térmica:

( ) ( )( )2323

14412323

TTcTTcTTc

QW

v

vv

AO −

−−−==η

Assumindo que os calores específicos provenientes dos processos 2-3 e 4-1 são iguais, os cv´s se cancelam e a equação para eficiência do ciclo Otto pode ser simplificada:

23

141TTTTnO −

−−=

Utilizando a relação temperatura-volume para um processo isoentrópico e à taxa de compressão rk = V1 /V2 = V4 /V3,

1

11 −−= kk

O rn

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20

3.1.4 Ciclo Diesel O motor a diesel surgiu em 1892 com outro engenheiro alemão, Rudolph Diesel. O motor diesel é projetado para ser mais pesado e mais potente do que os motores a gasolina e utiliza óleo como combustível. Eles são usados em máquinas pesadas, locomotivas, navios, e em alguns tipos de automóvel.

O ciclo Diesel ideal é composto por duas transformações adiabáticas alternadas, uma transformação isobárica e outra isométrica.

No ciclo Diesel ideal tipo padrão a ar, o fluído de trabalho é apenas o ar, que opera com quatro tempos e segue quatro processos, a saber:

Processo 1-2: Compressão isentrópica – o ar é admitido ao cilindro em 1 (admissão) e é comprimido adiabaticamente ate 2 (compressão);

Processo 2-3: Adição de calor – no final da compressão adiabática, o óleo diesel, finamente atomizado, é injetado na câmara de combustão a uma pressão constante, onde se mistura com o ar comprimido quente, iniciando assim a auto-ignição da mistura (ignição) e a explosão subseqüente;

Processo 3-4: Expansão isentrópica – os gases expandem-se adiabaticamente, realizando trabalho do motor (expansão);

Processo 4-1: Rejeição de calor – Os gases são descarregados do motor e exauridos à atmosfera a volume constante (exaustão) assim completando um ciclo.

No ciclo Diesel não há a necessidade da velas para produzir a ignição. O óleo Diesel é injetado na câmara de combustão somente no final da compressão quando a temperatura é suficientemente alta para queimar o combustível, sem a necessidade da centelha elétrica. Essa é a principal diferença entre o motor Diesel e o motor a gasolina. Para o ciclo Diesel, a taxa de compressão varia de 15 a 20 enquanto para o ciclo Otto a taxa de compressão é da ordem de 8 para um motor moderno.

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21

Como o ciclo Diesel opera de modo similar ao ciclo Otto, as expressões matemáticas que o definem são bastante semelhantes. Considerando o calor específico constante para uma unidade de massa, teremos:

Calor adicionado: QA = h3 – h2 = ∫ cp dT = cp (T3 – T2)

Calor rejeitado: QR = u1 – u4 = ∫ cv dT = – cv (T1 – T4) = cv (T4 – T1)

Trabalho líquido W = ΣQ = cp(T3 – T2) – cv(T4 – T1)

( )( ) ( )23

14

23

14 11TTkTT

TTcTTc

QW

p

v

AD −

−−=

−−

−==η [k constante]

Essa expressão pode ser convertida a uma forma mais conveniente sem as temperaturas, ou seja

( )

−−

−= − 1111 1

c

kc

kk

D rkr

rη [k constante]

3.2 Ciclos Alternativos Outros ciclos de potência menos usuais apresentam um grau de sofisticação o suficiente para serem adotados. Na prática, porém, ainda não foram implementados em grande número. São os seguintes: Ciclo CRO;

Ciclo Kalina;

Ciclo Cheng.

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22

3.2.1 CRO (Ciclo Rankine Orgânico)

É basicamente o mesmo ciclo empregado para as turbinas a vapor ou seja, o ciclo Rankine. A diferença é que, em vez da água como fluído de trabalho, utilizam-se compostos orgânicos como os hidrocarbonetos isopentano, iso-octano, tolueno ou fluido de silicone ou amônia. Os gases refrigeradores como os CFC´s ou freon também possuem excelentes características térmicas, que os tornam aptos para serem utilizados no CRO. Mas sua ação danosa à camada de ozônio faz com que o uso desses agentes de refrigeração fique proibitivo.

O ciclo Rankine convencional que utiliza água e vapor como fluído de trabalho apresenta a desvantagem da necessidade de superaquecer o vapor, caso contrário, o teor de umidade após a expansão do vapor dentro da turbina provocaria a erosão das palhetas. Substâncias orgânicas, que evaporam a temperaturas mais baixas do que a água e que podem ser utilizadas para temperaturas inferiores a 400º C, não precisam ser superaquecidas. O CRO pode valer-se então de calores residuais de baixa temperatura (pode chegar a 70º - 80º C) para gerar eletricidade, e o ciclo pode ser melhor adaptado para combustíveis como a biomassa que possuem baixas temperaturas de combustão. Se adotado o ciclo Rankine convencional nessa faixa de temperatura, o custo-benefício seria totalmente inaceitável, devido aos enormes volumes de vapor de baixa pressão que seriam necessários, acarretando, deste modo, uma usina desproporcional.

A eficiência de um CRO é estimada entre 10 e 20%, dependendo dos níveis de temperatura adotados. Em muitas instalações produtivas onde não há utilização prática de uma grande quantidade de calor residual de baixa temperatura (na faixa de 70 a 400º C) o CRO passa a ser a tecnologia mais adequada para a recuperação do calor residual e o seu posterior aproveitamento para a geração de energia. CRO´s para máquinas de pequeno porte têm operado comercialmente ou como plantas piloto, nas duas últimas décadas. Estima-se que já foram construídas 30 usinas de CRO até 1984.

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23

Os custos de investimento ainda são altos (aprox. € 2.300/kWel ) e por este motivo a tecnologia do CRO ainda não é considerado muito atraente. Entretanto, existem planos, em alguns paises desenvolvidos, para a sua implementação, como no caso da usina a ser construída no complexo da Hydro Agri na Holanda, que produzirá energia elétrica a partir da recuperação de calor residual a 190º C, utilizando o isopentano como fluído de trabalho. Esta usina de CRO terá uma capacidade instalada de 2,6 MWe..

Uma aplicação bastante promissora do CRO reside na geração de energia elétrica a partir do aproveitamento do calor residual de estações de compressão de gás natural. Um estudo realizado nos Estados Unidos revelou que a recuperação do calor residual de todas as estações de compressão associadas aos gasodutos norte americanos possibilitará a geração de, pelo menos, 1.000 MW de energia elétrica. Praticamente todas essas estações utilizam turbinas a gás como acionadores dos compressores, as quais operam em ciclo simples e perdem 65 a 75% da energia primária (contida no combustível), dependendo da eficiência das turbinas.

3.2.2 Ciclo Kalina

O ciclo Kalina é um ciclo Rankine modificado. No lugar da substância pura água, adotada como fluído de trabalho no ciclo rankine convencional, que ferve a uma temperatura constante, utiliza-se uma mistura amônia/água, que ferve a uma temperatura variável. A ebulição a uma temperatura variável permite ao fluído de trabalho manter uma temperatura mais próxima daquela dos gases de combustão na caldeira, melhorando assim a eficiência. Alterando a concentração de amônia na mistura em circulação em vários pontos do ciclo, possibilita-se a otimização da pressão de condensação do vapor exaurido da turbina, assim como a pressão de superaquecimento do vapor vivo introduzido na turbina, aumentando a queda entálpica e, por conseguinte, a eficiência térmica (tipicamente consegue-se de 5 a 15% de incremento desse rendimento).

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24

O ciclo Kalina, proposto pelo russo Alexander Kalina em 1984 , segue os mesmos princípios do ciclo Rankine convencional, mas necessita de algumas modificações de configuração para a consecução dos objetivos funcionais do ciclo. O seguinte exemplo mostra a configuração mais simples que é possível adotar no caso do ciclo Kalina. Nota-se que, no que se refere à parte de recuperação de calor dos gases de combustão, o ciclo Kalina apresenta o mesmo arranjo básico do ciclo Rankine, enquanto no caso do subsistema associado ao processo de condensação os dois ciclos divergem. O subsistema pertencente ao ciclo Kalina requer equipamentos adicionais para permitir a variação da concentração de amônia através de um processo de separação amônia/água, promovido pela recuperação eficiente da energia interna do ciclo.

O fluído de trabalho (mistura com alta concentração de amônia) é evaporado e superaquecido na caldeira de recuperação de calor antes da admissão na turbina e da expansão subseqüente. Um reaquecedor recupera a energia térmica do vapor de escape da turbina e transfere parte dela para induzir o processo de separação, num equipamento denominado “separador”. O separador gera dois fluxos de líquido: um com baixa concentração de amônia e outro rico em amônia. O fluxo com baixa concentração de amônia é desviado para juntar-se com o fluído de trabalho advindo da turbina antes de condensação no condensador de baixa pressão. Uma bomba eleva a pressão do condensado extraído do condensador, e o fluxo é novamente dividido: um é conduzido ao separador via o reaquecedor e o outro é mesclado com o vapor rico em amônia para restaurar a concentração de amônia do fluído de trabalho. A mistura bifásica é encaminhada a um condensador de alta pressão e o condensado resultante é bombeado para a alimentação da caldeira de recuperação.

O ciclo Kalina apresenta um desempenho termodinâmico melhor que o ciclo Rankine. A melhor configuração do ciclo Kalina gera aproximadamente 16 a 30% mais energia que um ciclo Rankine convencional. O custo de investimento para uma usina com ciclo Kalina é maior (em torno de 20%), se comparado a uma usina projetada para operar com o ciclo Rankine.

Em 1992, uma planta de demonstração do ciclo Kalina iniciou a operação no Centro de Engenharia de Tecnologia de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos. A planta gerava 3 MWe utilizando calor residual a 540º C. Em 2000, uma planta geotérmica projetado para funcionar com o ciclo Kalina iniciou operação comercial em Húsavík, Islândia. Produzia 1,6 MWe utilizando vapor geotérmico com temperatura de 121º C. Há também uma planta na siderúrgica de Sumitomo, no Japão, que gera 3,1 MWe a partir de efluentes de água de resfriamento, com temperatura de 98º C.

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3.2.3 Ciclo Cheng ou STIG

Mais conhecido com o nome STIG (Steam Injected Gás Turbine), o ciclo Cheng é nada mais do que uma variante do ciclo de Brayton, ou seja: uma modificação do ciclo simples de turbina a gás. Nesse ciclo, uma parte do vapor produzido na caldeira de recuperação é injetada na câmara de combustão para aumentar a potência e a eficiência da turbina. O ganho de eficiência que a turbina apresenta com a utilização do ciclo Cheng é devido principalmente ao aumento do fluxo de massa proporcionado pela injeção de vapor. A injeção de vapor também proporciona uma redução considerável de emissões de óxidos de nitrogênio (NOX).

O ciclo foi desenvolvido pelo Dr. Dah Yu Cheng, professor da Universidade de Santa Clara, Estado da Califórnia, nos Estados Unidos. As primeiras unidades de geração foram instalados em 1984 pela International Power Technology, Inc, empresa que o Dr. Cheng fundou, sendo duas na fábrica da Sunkist Growers, Inc. em California e outra, a primeira a operar comercialmente, na Universidade do Estado de Califórnia em São José, Califórnia.

Por razões óbvias, o ciclo Cheng requer o uso de um vapor extremamente limpo, exigindo, para tanto, um tratamento especial da água de alimentação da caldeira de recuperação. Os processos de tratamento de água normalmente adotados são: megafiltração, osmose reversa, ultrafiltração e polimento por desmineralização.

Uma variante desse ciclo é denominada ISTIG (Intercooled Steam Injected Gás Turbine). No caso do ISTIG um resfriador intermediário é instalado entre estágios do compressor de ar. Isto possibilita a operação da turbina a gás a uma temperatura muito mais elevada, devido ao melhoramento do resfriamento das palhetas da turbina por meio do ar extraído do compressor. Essa modificação aumenta ainda mais a potência e a capacidade de geração de energia elétrica da turbina a gás.

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3.3 Ciclos e Processos Inovativos Nesta categoria pertencem os ciclos e processos que ainda não são maduros o suficiente a serem aplicados na prática. A maior parte desses ciclos e processos ainda se encontram na fase de desenvolvimento ou que ainda não foram adequadamente testados. Incluem:

Ciclo Ericsson;

Ciclo Stirling;

Células a combustível;

Motor a vapor do tipo parafuso;

Ciclo de turbina a ar quente;

Ciclo de turbina a gás inverso.

3.2.1 Ciclo Ericsson

O ciclo Ericsson é um outro ciclo originalmente concebido como sendo reversível, destinado para utilização em motores de calor do tipo combustão externa e tendo o ar como fluído de trabalho. O ciclo incorpora um aspecto que o diferencia dos outros - usa um regenerador, uma câmara na qual energia pode ser transferida do fluído de trabalho e posteriormente armazenada. O ciclo, proposto pelo inventor sueco John Ericsson, consiste de quatro processos internamente reversíveis:

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Processo 1-2: Expansão isotérmica: adicionamento de calor da fonte externa ao fluído de trabalho;

Processo 2-3: Regeneração a pressão constante (armazenamento de energia térmica): transferência interna de calor do fluído de trabalho para o regenerador;

Processo 3-4: Compressão isotérmica: rejeição de calor ao reservatório frio;

Processo 4-1: Regeneração a pressão constante (retirada de energia térmica armazenada): transferência interna de calor do regenerador de volta para o fluído de trabalho.

No ciclo Ericsson ideal, a utilização de um regenerador cuja eficiência é de 100% permite que todo o calor armazenado no regenerador durante o processo 2-3 seja transferido ao fluído de trabalho no processo 4-1. Similarmente, todo o calor adicionado externamente seria acrescido ao fluido de trabalho no processo isotérmico 1-2, e todo o calor rejeitado para o meio ocorreria no processo isotérmico 1-2. Daí, pode se concluir que a eficiência térmica do ciclo de Stirling é obtida pela mesma expressão da eficiência térmica do ciclo de Carnot.

Se a fonte de calor e o reservatório frio estiverem às temperaturas TA e TB,respectivamente, e todos os processos forem reversíveis, teremos:

Calor adicionado: 1

21 lnVVmRTQA =

Calor rejeitado: 3

4lnVVmRTQ BR =

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28

Trabalho líquido W = ΣQ = ( )1

2lnVVmRTT BA −

( )A

B

A

BA

AE T

TTTT

QW

−=−

== 1η (Igual a do ciclo Carnot)

O ciclo Ericsson, apesar de ser uma invenção do século XVIII, não atraiu maior interesse.

3.2.2 Ciclo Stirling

O ciclo Stirling é um ciclo regenerativo (usa regeneração) similar ao ciclo Ericsson. O ciclo foi originalmente proposto em 1816 pelo escocês e pastor protestante Reverend Robert Stirling. O ciclo Stirling consiste de quatro processos internamente reversíveis: Processo 1-2: Expansão isotérmica: adicionamento de calor da fonte externa ao

fluído de trabalho; Processo 2-3: Regeneração a volume constante (armazenamento de energia

térmica): transferência interna de calor do fluído de trabalho para o regenerador;

Processo 3-4: Compressão isotérmica: rejeição de calor ao reservatório frio;

Processo 4-1: Regeneração a volume constante (retirada de energia térmica armazenada): transferência interna de calor do regenerador de volta para o fluído de trabalho.

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Como no caso do ciclo Ericsson ideal a utilização de um regenerador cuja eficiência é de 100% permite que todo o calor armazenado no regenerador durante o processo 2-3 seja transferido ao fluído de trabalho no processo 4-1. Similarmente, todo o calor adicionado externamente é acrescido ao fluído de trabalho no processo isotérmico 1-2 e todo calor rejeitado para o meio ocorre no processo isotérmico 1-2 . Daí, pode ser concluído que a eficiência térmica do ciclo de Stirling é fornecido pela mesma expressão da eficiência térmica do ciclo de Carnot.

Se a fonte de calor e o reservatório frio estiverem às temperaturas TA e TB respectivamente e todos os processos forem reversíveis teremos: Para um processo isotérmico constante de um gás ideal:

Q = W = pV ln(V2/V1) = mRT1 ln (V2/V1)

Calor adicionado: 1

2lnVVmRTQ AA =

Calor rejeitado: 4

3lnVVmRTQ BR =

Trabalho líquido ∑ == QW

4

3

1

2 lnlnVVmRT

VVmRT BA

Mas V2 = V3 e V1 = V4

Assim V2/V1 = V3/V4 e

A

B

A

BAS T

TTTT

−=−

= 1η (Igual a do ciclo Carnot)

O ciclo de Stirling, assim como o de Ericsson, é de interesse teórico de ciclos que possuem a mesma eficiência térmica do ciclo de Carnot. Entretanto, um motor prático do tipo cilindro-pistão que opera em um ciclo regenerativo fechado possuindo aspectos

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em comum com o ciclo de Stirling, vem sendo estudado recentemente. Este motor é conhecido como Motor Stirling. O motor Stirling oferece a oportunidade de uma alta eficiência, além de uma emissão reduzida de poluentes, porque a combustão atua externamente e não dentro do cilindro, como acontece nos motores de combustão interna. No motor Stirling, a energia é transferida para o fluído de trabalho por produtos da combustão, os quais são mantidos separadamente.

3.2.3 Células a Combustível Entre os processos inovativos que surgiram nos últimos tempos, as células a combustível tornou-se a vedete e há uma proliferação de literatura técnica sobre este assunto. E só fazer a busca na Internet. Há boas razões para isso. As células a combustível conseguem um melhor aproveitamento de energia primária (combustível) e alcançam eficiências sensivelmente altas, mesmo em baixas temperaturas. Na prática, obtêm-se eficiências de 55% a 60%. Deve-se, porém, salientar que usinas modernas em ciclo combinado, queimando gás natural e instalações convencionais modernas, com turbinas a gás otimizadas, também já atingem valores de eficiência de 55%. Portanto, esse indicador, isoladamente, não é a principal vantagem de sistemas de geração de energia com células a combustível, mas sim a vantagem proporcionada em termos ecológicos, além de serem dispositivos compactos, silenciosos, e de fácil manutenção.

Atualmente, projeta-se um mercado atraente para sistemas de células a combustível visando a geração de energia, com aplicações em geração distribuída de pequena porte como, por exemplo, em condomínios residenciais, repartições públicas e hospitais. Células a combustível são dispositivos eletroquímicos, normalmente no formato de bateria ou pilha, os quais convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica através da reação do hidrogênio com o oxigênio. O princípio físico das células a combustível foi descoberto em 1839 por Sir William Robert Grove.

Para promover a reação, a célula precisa ser alimentada continuamente por um combustível como o hidrocarboneto. O hidrogênio, efetivamente utilizado, pode ser obtido a partir de: Eletrólise da água; Produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis; Reforma (?) de gás natural, etanol, e gás liquefeito de petróleo para produção de

hidrogênio; Outros métodos para produção de hidrogênio.

O oxigênio, o outro elemento necessário para promover a reação, é retirado do ar.

A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado: a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo, indicadas nas seguintes reações básicas:

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Ânodo: H2 → 2H+ + 2e Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O Total: H2 + ½ O2 → H2O

Utilizando, portanto, o hidrogênio como combustível e o oxigênio como oxidante, obtém-se na denominada célula ácida a formação de água e a geração de calor, além da liberação de elétrons livres, que podem gerar trabalho elétrico. Um esquema simplificado de uma célula a combustível ácida é apresentado na figura a seguir:

Na reação anódica, prótons são produzidos e posteriormente conduzidos pelo eletrólito até o cátodo, onde se ligam aos ânions de O2-, assim formando água.

A eficiência máxima atingível pelas células a combustível é função do quociente entre a energia livre de reação ∆EL e a entalpia da reação ∆HR e não limitada pelo ciclo de Carnot como no caso dos ciclos de potência que nós vimos anteriormente.

ηCC = EL / ∆HR As vantagens das células a combustível aumentam quando se tem por finalidade a geração de energia móvel, caso das células de baixa temperatura, onde a sua eficiência fica bem acima da dos motores convencionais. A aplicação deste tipo de CC é, então, a tração automotiva. Todas as montadoras de veículos estão desenvolvendo projetos nessa área e as que mais têm se destacado são: Ford, Daimler-Chrysler, GM, BMW, Honda, Daihatsu, Nissan e Toyota.

A célula a combustível consiste basicamente de elementos empilhados, conhecidos como sanduíches, compostos de materiais distintos que constituem os eletrodos e o eletrólito.

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3.2.4 Motor a Vapor do Tipo Parafuso O ciclo associado referente ao motor a vapor do tipo parafuso é extremamente simples. Para a realização do processo de expansão do fluído de trabalho, em vez de uma turbina ou de um motor a vapor convencional, utiiliza-se um motor a vapor do tipo parafuso, o qual é composto de dois rotores espirais, entrelaçados entre si, ocasionando a execução do trabalho, que se reflete no movimento giratório desses rotores.

O vapor exaurido do motor é conduzido até um condensador, e o calor rejeitado pode ser aproveitado para o processo fabril ou para o aquecimento distrital (aplicação Européia). Com o auxílio de uma bomba de água de alimentação, o condensado é reintroduzido na caldeira, fechando assim o ciclo térmico.

Uma planta de demonstração de uma unidade de cogeraçãobaseada no ciclo de motor a vapor do tipo parafuso, foi instalada na Usina de Aquecimento Distrital de Hartberg, na Áustria, que é constituída de duas máquinas, com capacidades de 710 kWe e 4,8 MWt, respectivamente.

Motor a Vapor Tipo Parafuso -Corte Transversal 1 - Entrada de vapor vivo 2 - Saída de vapor de escape 3 - Rotor 4 - Vedação de eixo 5 - Rodas de engrenagem de

sincronização, 6 - Mancal de rolamento, 7 - Eixo

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Diagrama Simplificado de Processo da Unidade de Cogeração Utilizando Motor a Vapor do Tipo Parafuso, Instalada na Usina de Aquecimento Distrital de Hartberg

3.2.5 Ciclo de Turbina a Ar Quente

Também conhecido como Ciclo de Turbina a Gás Indireto, esse ciclo difere do ciclo convencional de turbina a gás porque o ar quente, em vez dos gases de combustão, é expandido dentro da turbina.

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O ar é aquecido por meio de um trocador de calor de alta temperatura, que recebe os gases de combustão provenientes de uma caldeira. Após a expansão dentro da turbina, o ar é conduzido a um pré-aquecedor, com o intuito de se aproveitar o calor residual de exaustão para o preaquecimento do ar comburente. Os gases de combustão, após passar pelo pré-aquecedor, também contêm calor disponível para o reaproveitamento. Esse calor pode gerar vapor para utilização no processo fabril ou para a injeção na turbina, com vistas ao aumento de potência.

3.2.6 Ciclo de Turbina a Gás Inverso

No ciclo convencional de turbina a gás, o ar é comprimido, o combustível é introduzido na câmara de combustão e, subseqüentemente, queimado. Os gases de exaustão, de pressão elevada, são expandidos dentro da turbina até a atingir praticamente a pressão atmosférica. No caso do ciclo de turbina a gás inverso, a combustão dá-se à pressão atmosférica, sendo os gases oriundos da combustão expandidos na turbina até uma pressão inferior à atmosférica. Posteriormente, os gases são novamente comprimidos. A vantagem desse ciclo reside na realização do processo de combustão à pressão atmosférica evitando assim a implantação de um sistema sofisticado e caro para a alimentação de combustível, em caso de queima de biomassa.

O calor contido nos gases de exaustão da turbina pode ser aproveitado, no processo fabril, para produção de vapor ou água quente. Os gases de exaustão se aquecem durante o processo de compressão e o calor pode ser utilizado para o preaquecimento do ar comburente, antes da sua admissão na câmara de combustão.

Para aumentar a potência e a eficiência da turbina, pode-se também pensar em injeção de vapor, gerado a partir do calor contido nos gases de exaustão da turbina. Uma outra opção seria a de se trabalhar em ciclo combinado, com a incorporação de uma turbina a vapor.

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4 COGERAÇÃO DE ENERGIA

4.1 Introdução

A cogeração foi definida como a produção seqüencial de duas formas de energia (normalmente elétrica e térmica), através de uma única fonte energética. É importante frisar, nessa definição, não somente o propósito de produzir simultaneamente energia elétrica ou mecânica e energia térmica, mas particularmente o fato de se conseguir essa produção conjunta de dois tipos de energia a partir da queima de um único combustível. O trabalho obtido num sistema de cogeração pode ser utilizado em um alternador, para a produção de eletricidade, ou diretamente em equipamentos mecânicos e termomecânicos, como força motriz; enquanto que o calor resultante servirá ao processo produtivo para diversas finalidades, tais como: aquecimento, secagem etc. Portanto, fica claro que a cogeração proporciona, em si, uma maior racionalização no uso dos energéticos e, geralmente, maiores rendimentos globais nos processos industriais. É, pois, uma tecnologia amplamente utilizada na atividade produtiva desde o início do século passado, como meio econômico para satisfazer as necessidades energéticas de muitas instalações industriais, em todo o mundo. Na indústria, o vapor raramente é usado exclusivamente para a produção de energia elétrica. O que normalmente ocorre é que o vapor disponível no processo produtivo freqüentemente pode ser aproveitado para gerar uma parcela da energia elétrica consumida no complexo fabril. Isto significa que as necessidades energéticas do processo de produção definem a configuração e a capacidade das unidades de cogeração.

O sistema de cogeração instalado num complexo industrial, freqüentemente, substitui o método tradicional de se adquirir eletricidade da concessionária local e de se gerar o calor ou vapor através da queima do óleo combustível ou do gás natural. Apesar da sua conveniência, este método é bastante ineficiente, desperdiçando mais de dois terços da energia contida no combustível primário, devido às perdas de produção e de transmissão. Usinas de cogeração produzem eletricidade de modo muito mais eficiente do que as centrais termelétricas convencionais. A eficiência global de instalações modernas de cogeração situa-se na faixa de 70% a 90%, comparada aos 35% a 40% para a geração convencional de eletricidade em centrais termelétricas de grande porte.

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Tipos Básicos de Cogeração Existem dois tipos básicos de tecnologia de cogeração, dependendo do que é produzido em primeiro lugar, se calor ou trabalho, ou seja: ciclos topping e bottoming. No ciclo topping, a energia elétrica ou mecânica é gerada num primeiro momento, e a energia térmica rejeitada na geração de eletricidade é aproveitada no processo industrial. No ciclo bottoming, o combustível é queimado para gerar energia térmica destinada ao processo fabril. O calor residual normalmente remanescente dos gases de exaustão do processo, é aproveitado para a produção de eletricidade. Esse sistema permite se trabalhar com maiores pressões e temperaturas do vapor e, conseqüentemente, se obter maiores rendimentos e trabalho útil. As instalações com ciclo bottoming são muito menos comum do que as que utilizam o ciclo topping, sendo adotadas mais em indústrias pesadas tais como as indústrias de vidro, cerâmica e de manufatura de metais, onde são usados fornos de alta temperatura. Normalmente, outras aplicações industriais geram calor residual de qualidade baixa (temperatura e disponibilidade baixas) e podem produzir eletricidade somente com eficiências baixas. Nesses casos, a eficiência de cogeração é inferior à eficiência global para geração separada de energia elétrica e de energia térmica. Portanto o ciclo bottoming oferece pouco valor termodinâmico ou mesmo econômico, e somente o ciclo topping pode proporcionar economias reais na utilização da energia primária. As alternativas básicas para a cogeração industrial são: com turbina a vapor, com turbina a gás, com ciclo combinado (turbinas a gás e a vapor em operação conjugada) e com motores de combustão interna. Do ponto de vista técnico, a opção por qualquer uma dessas alternativas depende intrinsecamente da proporção calor/eletricidade desejada. Componentes Básicos de Uma Planta de Cogeração Independentemente da tecnologia de cogeração adotada a planta de cogeração consiste de quatro elementos básicos: Uma máquina térmica para realizar o trabalho útil ou fornecer a força motriz; Um gerador elétrico ou um equipamento mecânico a ser acionado; Um sistema de recuperação de calor; Um sistema de controle.

Eficiência de Cogeração Do ponto de vista de recurso energético, quando comparada à geração separada de eletricidade e de calor, a cogeração é vantajosa somente se conseguir proporcionar economia em termos de energia primária. A eficiência de cogeração é dada pela seguinte expressão:

A

VCO Q

HE ∆+=η

onde E = energia elétrica gerada

∆HV = energia térmica ou calor no vapor de processo

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= entalpia do vapor entrando o processo entalpia do vapor saindo do processo

QA = calor adicionado à planta de cogeração proveniente do combustível Para a geração separada de eletricidade e de vapor, o calor adicionado por unidade de energia total produzido é

GVe

eeηη

−+

1

onde e = fração elétrica da energia total produzida = VHE

E∆+

A eficiência global ηGS para geração separada é portanto dada pela seguinte expressão:

( ) ( )[ ]GVeGS ee ηη

η/1/

1−+

=

É a cogeração é vantajosa se ηCO > ηGS Parâmetros Técnicos para Avaliação e Comparação de Alternativas de Ciclos de Cogeração Neste ponto, seria conveniente se introduzir três conceitos básicos muito úteis para a avaliação e a comparação das opções tecnológicas de cogeração, a saber: Razão Calor/Eletricidade (Heat to Power Ratio): Relação entre a energia térmica e a energia elétrica exigidas pela instalação consumidora. Calor Líquido para Processo (NHP – Net Heat to Process): A energia líquida fornecida pelo sistema de cogeração ao processo fabril ou industrial. Combustível Atribuível ou Correlacionado à Eletricidade (FCP – Fuel Chargeable to Power) – É aquele destinado ao sistema de cogeração, referente às necessidades energéticas de um sistema que produz apenas energia térmica, dividido pelo energia elétrica líquida produzida pelo sistema de cogeração. Em outras palavras, o combustível incremental dividido pela eletricidade incremental. No caso de uma planta de cogeração que gera apenas energia elétrica, o Combustível Atribuível à Eletricidade é equivalente ao Heat Rate Líquido ou Consumo Específico de Calor da planta. O Heat Rate nada mais é do que o recíproco de eficiência, ou seja:

Heat Rate 100/

860Eficiência

= (kcal/kWh)

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4.2 Cogeração com Turbinas a Vapor

A configuração com a utilização de turbinas a vapor é a tecnologia de cogeração mais comum no Brasil. Na atividade industrial em que o maior consumo prevalece sobre o consumo de energia elétrica (alta Razão Calor/Eletricidade), normalmente adota-se uma turbina a vapor de contrapressão. No arranjo mais comum deste sistema, o combustível é queimado numa caldeira, produzindo-se vapor de alta ou de média pressão, o qual é expandido numa turbina de contrapressão para gerar eletricidade. O vapor de baixa pressão extraído do escape da turbina é desviado para uma rede de consumidores do processo industrial.

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Evidentemente, do ponto de vista da geração de energia elétrica, essa opção não é muito interessante, pois se caracteriza por uma baixa relação eletricidade/vapor (6 a 30%), visto que apenas 10% a 15% da energia disponível no combustível é convertida em eletricidade. Porém, 65% a 75% dessa energia pode ser aproveitada em vapor de processo. Os componentes principais de uma planta de cogeração com turbina a vapor de contrapressão são: a caldeira com superaquecedor, a turbina a vapor, um tanque para recolhimento de condensado, um desaerador e uma bomba de água de alimentação. Normalmente, por motivos inerentes ao processo, a pressão e a temperatura do vapor de escape da turbina devem ser mantidos constantes. Assim, quando a necessidade de vapor para o processo diminuir, a vazão do vapor passando pela turbina é reduzida e, por conseguinte, a potência gerada também é menor. A parcela de energia elétrica faltante deverá ser suprida pela concessionária local. Neste caso, a manutenção da freqüência deve ser assegurada pela rede da concessionária. Se o fornecimento de energia elétrica for interrompida, é preciso mudar a regulação da turbina para controle de rotação, de modo a evitar o colapso do fornecimento de vapor e de energia elétrica para a unidade industrial. Uma estação de redução de pressão equipada com válvula reguladora de pressão deve manter o valor de contrapressão e o sistema de controle de rotação deve garantir a constância da freqüência, valendo-se de um processo seletivo de desligamento das cargas não prioritárias da unidade industrial, para se evitar a sobrecarga dos geradores elétricos.

No caso de aplicações industriais em que os consumidores exijam vapor em níveis diferentes de pressão, turbinas de contrapressão com extração intermediária são utilizadas para permitir a alimentação de uma segunda rede de consumidores com vapor a uma pressão superior `a contrapressão da turbina. A extração pode ser uma simples sangria ou pode ser do tipo controlado. Turbinas com sangria são utilizadas quando o volume do vapor de extração (normalmente de média pressão) é menor que o volume de vapor de exaustão de baixa pressão. Turbinas com extração controlada são utilizadas quando o fluxo de vapor de extração (de média pressão) é relativamente alto comparado com o fluxo de vapor de exaustão de baixa pressão e a demanda de vapor de média pressão está sujeita a flutuações consideráveis. A pressão do vapor de extração neste caso permanece constante em todas as regimes operacionais da turbinas. Nesse arranjo normalmente prevem-se duas estações de redução de pressão para permitir o desvio (bypass) da turbina referente aos dois níveis de pressão envolvidos.

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Quando existe a necessidade de mais energia elétrica do que se poderia autogerar com o vapor de processo utilizando apenas turbinas de contrapressão, pode ser adotada uma das seguintes soluções, sendo a escolha uma função da razão calor/eletricidade exigida pela atividade industrial ou dos perfis de demanda de energia térmica e de energia elétrica, e da disponibilidade de combustível na industria envolvida, a saber: No caso em que há excedente de combustível, pode ser instalada uma turbina de condensação plena a ser alimentada pela caldeira existente comum à planta (caso se disponha de margem de capacidade) ou por uma caldeira adicional. O condensador que representa o reservatório frio do ciclo termodinâmico recebe e condensa o vapor de exaustão da turbina a pressões baixíssimas (tipicamente 0,10 a 0,15 ata).

Se a industria não dispõe de combustível excedente, pode ser instalada uma turbina de condensação dotada de extrações controladas. Essa turbina possui extrações de vapor com pressão regulada normalmente em dois níveis diferentes e uma seção de condensação. A combinação pode proporcionar flexibilidade tal que permite a produção exclusiva de eletricidade caso não haja consumo de vapor, ou maior consumo de vapor proveniente das extrações com menor produção de energia elétrica.

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Esse tipo de cogeração permite a utilização de uma multiplicidade de combustíveis, uma grande parte dos quais são menos nobres e portanto mais baratos tais como carvão, lenha e resíduos industriais como licor negro e bagaço de cana. Este item é de sumo importância, pois freqüentemente torna viável economicamente o empreendimento. No Brasil, os projetos de plantas ou usinas de cogeração com turbinas a vapor podem ser atendidos pelos projetistas e fabricantes nacionais no que se refere à elaboração de projeto básico e detalhado assim como ao fornecimento dos equipamentos eletromecânicos.

4.3 Cogeração com Turbinas a Gás

Nos últimos anos a turbina a gás tem se tornado á principal máquina motriz para cogeração em grande escala , tipicamente gerando 1 a 120 MWe. O arranjo com turbina a gás constitui uma alternativa bem interessante, pois é relativamente fácil de ser instalado e requer um espaço sensivelmente menor do que uma planta com turbina a vapor. Isso aliado ao seu menor custo de investimento e a alta confiabilidade das máquinas modernas, faz da turbina a gás uma opção bastante atraente.

As turbinas a gás são equipamentos compostos basicamente por um compressor de ar, uma câmara de combustão e a turbina propriamente dita. O processo exotérmico resultante da reação entre o combustível e o ar comburente que sucede dentro da câmara de combustão gera gases quentes que ao se expandirem na turbina provocam o movimento giratório do rotor que resulta em trabalho útil no eixo.

G

Combustível 16.7 MW

T C

HRSG

160 ºC

Ar

4700 kW

Água 120 ºC 12.55 t/h (1.76 kW)

Queima Suplementar Combustível: 200 kW

Escapamento 18.8 kg/s 545 ºC

Vapor 56 bar/271 ºC 1.05 t/h, (0.81 kW)

Água: 70 ºC 11.5 t/h, (0.94 MW)

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O eixo da turbina aciona o compressor e está normalmente acoplado a um equipamento acionado tais como alternador, bomba, moenda, ventilador etc. a fim de atender as mais variadas necessidades do processo.

Os gases de exaustão da turbina que atingem temperaturas de até 750º C, podem ser aproveitados para a geração de vapor através de uma caldeira de recuperação de calor ou para outras finalidades da atividade industrial tais como aquecimento, secagem, condicionamento ambiental, etc.

Geralmente apenas 30 a 35% da energia de combustível é convertida em energia elétrica, mas grande parte da energia térmica dos gases de exaustão da turbina é aproveitada na caldeira de recuperação de calor. Nesse caso, a eficiência global pode atingir facilmente os 85% ou até 90%. Isso representa, atualmente, a conversão de energia química do combustível com melhor rendimento.

Além da cogeração no setor industrial, uma aplicação da turbina a gás que possui um grande potencial é em instalações do setor terciário tais como hotéis, hospitais, shopping centers, edifícios comerciais, hipermercados. etc. Nesses estabelecimentos, a geração de energia elétrica destina-se à iluminação e acionamentos mecânicos enquanto que a energia térmica pode ser aproveita para aquecimento ou condicionamento ambiental, através de sistemas de refrigeração por absorção. Existem dois tipos básicos de turbinas a gás: o tipo industrial ou heavy duty e o aeroderivado. Detalhes a respeito dessas turbinas serão apresentados na palestra a ser realizada hoje à tarde. Esses equipamentos não são fabricados no Brasil e têm que ser, necessariamente, importados. A contrapressão no ponto de descarga das turbinas a gás modernas é normalmente limitada a um valor de 200 mmCA, o suficiente para vencer a resistência no circuito de gases formado pelos dutos e caldeira de recuperação de calor.

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4.4 Cogeração em Ciclo Combinado

O conceito básico de funcionamento de turbinas a gás em ciclo combinado consiste na conjugação do ciclo de Brayton com o ciclo Rankine. Em termos práticos, essa conjugação implica no aproveitamento do calor contido nos gases de exaustão de alta temperatura provenientes da turbina a gás em uma caldeira de recuperação de calor, para gerar vapor superaquecido, que por sua vez alimenta uma turbina a vapor, que realiza trabalho útil no seu eixo, para gerar eletricidade. Parte da energia térmica contida no vapor encaminhado à turbina pode ser utilizado para suprir as necessidades do processo produtivo. A conjugação do uso de turbinas a gás e de turbinas a vapor permite aumentar sensivelmente a eficiência térmica de uma usina termelétrica. Tais termelétricas, conhecidas como de ciclo combinado, são de baixo custo e, atualmente, dependendo da temperatura dos gases de exaustão da turbina na entrada da caldeira são obtidos rendimentos na faixa de 47 a 56%.

Quando se utiliza o princípio da cogeração no ciclo combinado, isto é: com a extração de parte do vapor nas seções intermediárias da turbina a vapor para fins industriais, consegue-se um aproveitamento teórico da energia do combustível de até 93%. Com a entrada do gás natural na matriz energética brasileira, essa tecnologia tornou-se

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bastante atraente, não somente por ser uma alternativa mais eficiente e mais econômica, mas sobretudo por possibilitar a queima de um combustível mais limpo, o que favorece a preservação ambiental e aumenta a vida útil da máquina motriz.

O ciclo combinado, além de apresentar altas eficiências, proporciona grande flexibilidade operacional, podendo inclusive se fazer uso de diversos combustíveis.

A usina com ciclo combinado consiste basicamente dos seguintes componentes principais: Uma turbina a gás ou mais dependendo da configuração adotada; Uma caldeira de recuperação de calor para cada turbina a gás; Uma turbina a vapor para cada unidade de cogeração; Um condensador; Uma bomba de extração de condensado; Um desaerador;

G

Combustível 21.6 MW

GT C

HR

SG

Ar

6000 kW

Água 120 ºC 12.5 t/h, (1.75 kW)

Escapamento 36.2 kg/s 456 ºC

100 bar/450 ºC 12.5 t/h (11.26 kW)

Processo por Vapor

12 b

ar/2

37 ºC

1.

0 t/h

(0.8

1 M

W)

Água 70 ºC 11.5 t/h, (0.94 MW)

ST G

12 bar/237 ºC 6 t/h (4.64 kW)

56 bar/380 ºC 5.5 t/h (4.79 kW)

800 kW

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Uma bomba de água de alimentação.

Tanto as usinas termelétricas dotadas apenas com turbinas a vapor, quanto aquelas que devem operar em ciclo combinado, o prazo para a construção e instalação é de aproximadamente 2 anos. Entretanto, os módulos com turbinas a gás podem ser colocadas antecipadamente em operação, em ciclo aberto, em aproximadamente 1 ano, enquanto é dado prosseguimento à montagem das unidades a vapor. Isto é de extrema vantagem, por permitir o início da amortização dos investimentos antes da finalização das obras.

Dependendo do tipo de caldeira de recuperação adotado o ciclo de vapor pode assumir uma das seguintes configurações:

Ciclo de vapor de pressão única, sem reaquecimento de vapor e com pré-aquecimento de água de alimentação – Este ciclo utiliza uma caldeira de recuperação de calor sem queima suplementar. É a configuração mais simples que pode ser aplicada para um ciclo combinado sendo utilizada extensivamente devido ao seu baixo custo. Apesar de não proporcionar uma eficiência muito elevada, é considerado uma escolha são e econômica quando o combustível não é cara. O ciclo é utilizado com turbinas a gás que possuem uma temperatura de gases de exaustão de aproximadamente 538ºC ou menos. A temperatura dos gases na saída da chaminé é aproximadamente 171º C.

Ciclo de vapor de pressão múltipla, sem reaquecimento de vapor e com pré-aquecimento de água de alimentação – Ciclos de pressão dupla ou tripla alcançam melhores eficiências do que sistemas de pressão única, porém seu custo instalada é bem mais alto. São a escolha econômica quando o combustível é caro ou se o regime operacional exige um fator de carga alto. O ciclo se assemelha a um ciclo de pressão única coma adição de seções de baixa pressão e intermediária. O melhoramento do desempenho de usinas com ciclos de pressão múltipla decorre da superfície de troca de calor adicional instalada na CRC. A temperatura dos gases na saída da caldeira fica na faixa de 93 a 127º C.

Ciclo de vapor de tripla pressão, com reaquecimento de vapor e com pré-aquecimento de água de alimentação – A temperatura mais alta dos gases de exaustão (593º C ou maior) proporciona energia de alta temperatura e torna o ciclo com reaquecimento praticável.

Para cada aplicação específica, a escolha entre ciclos com pressão única e ciclos com pressões múltiplas deve ser feita em função de uma avaliação econômica, a qual terá de considerar o custo instalado da planta, o custo e qualidade do combustível, o regime operacional e os custos de operação e de manutenção.

Os sistemas podem ser adquiridos com um desaerador integral à CRC que utiliza energia do evaporador de baixa pressão para realizar a desaeração da água de alimentação a uma pressão positiva. Neste caso há uma ligeira diminuição da eficiência térmica.

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Opções como o resfriamento de entrada do compressor, injeção de vapor ou de água para o aumento de potência, ou a queima suplementar, são melhoramentos disponíveis, geralmente aplicados a aumento de capacidade em horário de pico.

Conforme um dos fabricantes mais conceituados no mercado internacional de turbinas a gás e turbinas a vapor, os sistemas em ciclo combinado que atualmente têm maior procura para aplicação em plantas de cogeração são:

Ciclo combinado com CRC e turbina a vapor de contrapressão exaurindo ao processo

CRC de pressão única, sem queima suplementar CRC de pressão dupla, sem queima suplementar CRC de pressão única, com queima suplementar

Ciclo combinado com turbina de extração/condensação CRC de pressão única, sem queima suplementar CRC de pressão dupla, sem queima suplementar CRC de pressão única, com queima suplementar

Experiência Internacional

A experiência internacional com usinas termelétricas operando em ciclo combinado encontra-se intimamente relacionada com a disponibilidade de um combustível limpo e adequado para a queima em turbinas a gás.

No Brasil existe ainda pouca experiência no uso do ciclo combinado para a geração termelétrica, podendo-se citar, entre outros, a UTE Nova Piratininga, composta de 4 unidades com turbinas a gás com 100 mW de capacidade cada, a unidade de geração da Replan (Refinaria de Paulínia – SP), composta por duas unidades geradoras com turbinas a gás de 23,5 MW cada e três unidades com turbinas a vapor com 9,4 MW cada, operando nas condições de 90 kgf/cm² de pressão e 485° C de temperatura; além de uma unidade de cogeração instalada na COPENE, em Camaçari (BA), contendo uma turbina de 35 MW e uma caldeira de recuperação de 100 t/h (124 bar, 538o C), a qual possui queima suplementar de combustível. Todavia, baseado na experiência internacional com o ciclo combinado, pode-se tecer algumas importantes considerações, a saber:

O uso da queima suplementar de combustível teve a sua maior incidência nas primeiras unidades que foram instaladas, motivado pelas baixas temperaturas dos gases das primeiras turbinas a gás;

O combustível utilizado na grande maioria das usinas hoje em operação é o gás natural, seguido pelo óleo leve e pelo óleo pesado, em alguns casos;

As caldeiras de recuperação com dois níveis de pressão são as mais utilizadas;A configuração mais comum é aquela que contém duas turbinas a gás conjugadas a uma turbina a vapor;

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Na configuração acima, o mais usual é a combinação de uma caldeira de recuperação de calor com uma turbina a gás.

Apresentam-se a seguir algumas unidades de maior eficiência em operação, nas mais variadas capacidades, operando com gás natural e cujos critérios de projeto têm correlação com as configurações que foram estudadas.

Local Início da Operação Comercial

Capacidade (MW)

Eficiência (%)

Nigashi Nigata (Japão) 1985 1090 48,3

Futsu (Japão) 1988 2000 47,0

Ambarli (Turquia) 1990 1350 51,4

Roosecote (Inglaterra) 1991 224 49,1

Rayong (Tailândia) 1994 310 47,8

Eemshaven (Holanda) 1996 1675 54,9

Didcot (Reino Unido) 1997 686 56,2

Rheinhafen (Alemanha) 1998 360 58

Rocksavage (Reino Unido) 1998 720 58

Taranaki (Nova Zelandia) 1998 360 58

Poryong (Corea do Sul) 1998 2000 59

Tapada Outeiro (Portugal) 1999 90 55,4

St. Francis (EUA) 1999 250 58

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Configuração Convencional

A configuração convencional para a geração termelétrica em ciclo combinado, a mais usual, é aquela onde são combinados 3 (três) geradores síncronos com potências equivalentes, sendo 2 deles acionados com turbinas a gás e um com turbina a vapor. Esta configuração tem como principal vantagem uma maior flexibilidade operacional, além de permitir, ao longo do tempo, um fator de utilização mais elevado.

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Configuração Simples

A configuração simples para a geração termelétrica em ciclo combinado é a que combina uma turbina a gás com uma turbina a vapor, sendo os geradores elétricos independentes, sincronizados em paralelo num mesmo barramento. Tem a vantagem de um menor investimento de capital, se comparado à configuração convencional. Possui, todavia, pouca flexibilidade operacional, além de um fator de utilização, ao longo do tempo, também menor.

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Configuração Mono Eixo

Esta configuração apresenta uma turbina a gás para uma turbina a vapor, tendo, porém, como principal característica, a união dessas duas máquinas a um mesmo gerador, formando um conjunto rotativo desses equipamentos através de um único eixo.

Cumpre salientar a ocorrência de estudos consistentes, feitos por empresas de grande conceito no setor de energia, envolvendo unidades termelétricas operando em ciclo combinado na configuração compacta, com potências acima de 250 MW. Esses estudos sintetizam as seguintes principais vantagens para a Configuração Compacta de geração termelétrica: a) Baixo custo de investimento, tendo em vista a simplificação dos equipamentos

principais envolvidos, visto este esquema possuir apenas um gerador, uma caldeira de recuperação e um turbo-compressor a gás; embora com potências e capacidades bem superiores. O sistema de regulagem e de distribuição de energia elétrica também seria único, com cubículos e painéis unitários. Observa-se ainda a não existência de válvulas de desvio e dutos de gases para a atmosfera;

b) Menor custo de geração, motivado principalmente pela redução dos custos de operação e manutenção.

Todavia, convém enfatizar as seguintes desvantagens da configuração compacta de geração termelétrica:

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a) Pouca ou nenhuma flexibilidade operacional, tendo em vista que uma parada para a manutenção preventiva da turbina a gás, evento este freqüente, acarretaria na paralisação de toda a unidade geradora. No ciclo com a configuração convencional, com duas turbinas a gás para uma turbina a vapor, por exemplo, uma parada similar permitiria a operação da usina com aproximadamente metade da carga;

b) Maior prazo para o início da geração de energia, visto que a instalação do ciclo de gás coincidiria com o ciclo de vapor, muito mais longo, não permitindo a operação escalonada, conforme citado no tópico a acima.

A eficiência térmica de usinas em ciclo combinado é calculada pela seguinte equação:

( )C

TECC Q

QQx += 100η

Onde

ηCC = Eficiência térmica – PCI (%)

QE = Potência líquida

QT = Energia térmica contida no vapor processo

QC = Poder calorífico inferior do combustível

4.5 Cogeração com Motores de Combustão Interna

Essa tecnologia de cogeração baseia-se na utilização de motores alternativos de combustão interna (motor Otto, motor Diesel motor a Gás Natural ou motor Dual). A

G

H RSG

170 ºC

2 X 6350 kW

Água 130 ºC 11.93 t/h (1.81 kW)

56 bar/271 ºC 5.5 t/h, (4.26 kW)

12 bar/188 ºC 6 t/h, (4.64 kW)

Vapor 56 bar/271 ºC 0.43 t/h, (0341 kW)

Motor Diesel

Combustível 31.0 MW

Escapamento 450 ºC

Água: 110 ºC 11.5 t/h (1.47 MW)

Resfriador de Água 5.5 MW)

Água: 70 ºC 11.5 t/h, (0.94 MW)

Por P

roce

sso

Esfriador de Ar

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energia térmica remanescente proveniente de um motor de combustão interna na forma de gases de escapamento, pode ser parcialmente reaproveitada para a produção de água quente procedente através da refrigeração dos cilindros e do circuito de óleo lubrificante, ou até do ar, no caso de motores turbo-alimentados.

Em muitas instalações industriais, os motores de combustão interna, principalmente o motor Diesel, têm sua principal aplicação como unidade geradora de emergência ou para a geração exclusiva em horários de pico. Neste caso, a cogeração de energia não é considerada atraente, pois a geração de vapor através motores de combustão interna é normalmente insuficiente para as necessidades da atividade industrial, necessitando do apoio de caldeiras.

Uma aplicação da cogeração com motores de combustão interna que está ganhando espaço é aquela em instalações do setor terciário tais como hotéis, hospitais, shopping centers, edifícios comerciais, hipermercados. etc. Nesses estabelecimentos, os motores de combustão interna, particularmente os motores a gás natural, competem com as turbinas a gás para a cogeração de energia ou seja, a geração de energia elétrica destinada à iluminação e acionamentos mecânicos e a geração de energia térmica ao aquecimento ou ao acondicionamento ambiental através de sistemas de refrigeração por absorção.

4.6 Custos de Geração Para a estimativa dos custos de geração, pode ser dotada a seguinte fórmula, que expressa a inter-relação entre as variáveis técnicas e econômicas:

CUCBCUOMFCEFRCCUICUG ++

××

=76,8

onde: CUG = custo unitário de geração, em US$/MWh;

CUI = custo unitário do investimento, incluindo os juros durante a construção e os tributos locais, em US$/kW;

FRC = fator de recuperação de capital, para uma vida útil n e taxa de juros i;

FCE = fator de capacidade anual;

CUOM = custo unitário de operação e manutenção, excluídos os gastos com combustível, em US$/MWh;

CUCB = custo unitário de combustível, em US$/MWh.

Como se pode discernir das fórmulas acima, o custo total de geração é constituído basicamente por três componentes: custo de capital; custo de operação e manutenção da central termelétrica; custo do combustível.

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O primeiro termo da expressão reflete o custo anual do investimento por MWh de energia produzida pela planta de geração e depende do valor dos investimentos, do tempo de construção da usina, da taxa de desconto adotada, da vida útil da central termelétrica e do regime de operação (fator de capacidade).

O segundo termo representa o custo necessário, por MWh de energia gerada, para se operar e se efetuar a manutenção da central. Esse custo consiste de uma parcela fixa e de uma outra parcela variável. Os custos fixos são aqueles independentes da produção de energia, sendo o seu componente principal os salários da equipe permanente da central. Os custos variáveis são aqueles que se alteram com a produção de energia e inclui itens tais como: peças de reposição durante a manutenção, despejo de efluentes e materiais de consumo como produtos químicos e lubrificantes.

O terceiro termo evidencia o gasto anual previsto com o consumo de combustível na central, o qual depende basicamente do nível esperado de utilização da usina e da sua eficiência, sendo esta última afetada pelo regime operacional. Inicialmente, foi estipulada uma taxa de desconto de 12% ao ano. Esta taxa refere-se a fluxos reais corrigidos da inflação, devendo ser vista como um tipo de custo de oportunidade de capital, cujo valor foi fixado sem se levar em consideração as taxas praticadas no mercado financeiro e comercial.

Para a composição desses custos de geração está sendo ainda assumida uma vida útil de 20 anos para a nova central termelétrica.

Quanto ao fator de capacidade adotado, foi levado em consideração a importância que a nova central desempenhará dentro do complexo fabril. Num sistema com as características que estão sendo requeridas, para se garantir um suprimento praticamente ininterrupto de energia elétrica e de vapor, há a imposição de se ter, como mínimo obrigatório, um fator de capacidade elevado. Foi adotado o fator de capacidade de 95%, estimado em função dos dados definidos pela Fabricare.

4.6.4 Custos de Investimento Nos empreendimentos inerentes ao setor elétrico, é prática usual para o empreendedor confiar a um empreiteiro a responsabilidade total referente às atividades principais do projeto, ou seja: a engenharia, a compra de equipamentos eletromecânicos e a construção propriamente dita - atividades essas conhecidas coletivamente como EPC.

Os custos envolvidos na EPC são basicamente os custos dos equipamentos principais, tais como: os grupos turbogeradores e as caldeiras, o BOP (Balance of Plant) - que consiste nos equipamentos eletromecânicos diversos, as obras civis, a montagem eletromecânica, a engenharia e o comissionamento (start-up). A esses custos ainda devem ser acrescidos os custos incorridos pelo empreiteiro para a execução do seu trabalho, os quais incluem cauções e seguros, honorários e lucros, incorporando ainda uma parte destinada a eventuais contingências.Além dos custos associados à EPC, o empreendedor também precisa reservar uma parte da verba para

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a fase de desenvolvimento do projeto, que normalmente implica nos seguintes custos adicionais: Licenciamento ambiental, inclusive o EIA-RIMA; Custos legais e financeiros; Juros durante construção; Gerenciamento de projeto.

5 CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO DE CALOR

5.1 Introdução

As caldeiras de recuperação de calor (CRC´s) utilizadas para trabalharem com turbinas a gás, em ciclo combinado, são equipamentos especialmente desenvolvidos para o aproveitamento do calor residual contido nos gases de exaustão dessas turbinas, servindo como elo de ligação entre o ciclo de gás e o ciclo de vapor.

As caldeiras de recuperação são de concepção muito mais simples que as caldeiras convencionais. Normalmente não possuem queimadores e o calor é transferido à água por convecção e não por radiação. O conjunto caldeira-turbina a vapor normalmente trabalha com pressão variável, conforme a carga.

5.2 Tipos básicos Uma classificação precisa das caldeiras de recuperação de calor apresenta bastante dificuldade, devido à enorme variedade existente nos tipos fundamentais. Como

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tentativa, e antes de entrarmos no tratamento particular dos diversos tipos, agruparemos as caldeiras de recuperação da seguinte forma: Quanto à circulação; Quanto aos níveis de pressão; Quanto ao arranjo; Quanto ao sistema de queima.

5.2.1 Quanto à circulação De acordo com o sistema de circulação interna da água no evaporador, as caldeiras de recuperação podem ser classificadas em: Caldeiras de circulação natural; Caldeiras de circulação forçada.

No primeiro tipo, a circulação interna da água é provocada pelas correntes de convecção que se estabelecem por diferenças de peso especifico entre a água contida nos tubos de descida não aquecidos, e a água presente nos tubos que constituem o evaporador. Nas caldeiras de circulação forçada, a água é obrigada a circular pelo seu interior devido à ação de elementos mecânicos externos, geralmente bombas especiais que injetam a água sob pressão. Em ambos os casos, a caldeira possui um tubulão, onde se realiza a separação da água e do vapor saturado. Uma alternativa de projeto de CRC´s é o tipo once through ou Benson, o qual dispensa o uso de tubulão. Caldeiras deste tipo operam a pressões extremante elevadas, aproximando–se da pressão crítica (o ponto em que a água e a vapor possuem a mesma densidade).

5.2.2 Quanto aos Níveis de Pressão Dependendo do grau de aproveitamento desejado da energia térmica contida nos gases de exaustão da turbina a gás, pode ser adotada uma das seguintes opções disponíveis: Pressão única ou mono-pressão; Pressão dupla; Pressão tripla.

A eficiência global de um ciclo combinado está muito ligada ao melhor aproveitamento do calor residual dos gases de exaustão da turbina a gás. Assim, fica obvio que o projeto térmico da caldeira de recuperação é um dos pontos mais importantes.

Nos ciclos com uma só pressão, a temperatura dos gases lançados pela chaminé é ainda elevada, indicando baixa recuperação do calor residual. A forma encontrada para maximizar a recuperação de calor, de forma econômica, foi a geração de vapor

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em mais de um nível de pressão.Com a utilização do sistema de dupla pressão consegue-se um aumento de eficiência global do ciclo combinado em torno de 1,7%.

Os ciclos atuais de alta eficiência utilizam caldeiras de recuperação com três níveis de pressão, sendo o mais alto da ordem de 100 bar, possuindo ainda um ou dois feixes tubulares adicionais que constituem os reaquecedores de vapor.

Pressão Dupla

Pressão Única

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5.2.3 Quanto ao Arranjo As caldeiras de recuperação de calor podem ser configuradas de duas maneiras, a saber: Vertical Horizontal

A escolha entre as duas alternativas, freqüentemente, é feita em função do espaço útil disponível nas instalações. Nos projetos verticais típicos, a caldeira fica suspensa por uma estrutura de aço. O suporte para a caldeira nos projetos horizontais fica geralmente na parte inferior de sua base.

Pressão Tripla

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5.2.4 Quanto ao Sistema de Queima Há três tipos básicos: Sem queima suplementar (unfired) Com queima suplementar (supplementary firing) De queima total

As caldeiras de recuperação normalmente utilizam apenas os gases quentes exauridos da turbina a gás, constituindo assim o tipo denominado unfired ou sem queima. O ciclo combinado sem queima suplementar é atualmente o mais utilizado, por proporcionar maior eficiência global. Tipicamente, as condições do vapor produzido com caldeiras sem queima suplementar ficam na faixa de 10,3 bars saturado até aproximadamente 100 bars - 510º C. O desempenho desse tipo de caldeira de recuperação de calor é totalmente dependente do regime operacional da turbina e não pode prover facilmente o controle de vazão de vapor.

Sendo que as turbinas a gás geralmente consomem apenas uma parte do oxigênio contido no ar comburente introduzido na câmara de combustão, o teor de oxigênio dos gases de exaustão da turbina permite a queima suplementar de combustível de maneira a otimizar a operação da caldeira, mediante temperatura mais elevadas dos gases e, por conseguinte, melhores condições do vapor superaquecido. Neste caso, queimadores adicionais são instalados dentro do duto que interliga a turbina e a caldeira de recuperação, numa posição próxima à entrada da caldeira. Esses queimadores normalmente queimam o mesmo tipo de combustível utilizado na turbina a gás, usando como comburente os próprios gases de exaustão da turbina, que ainda contêm cerca de 15% de oxigênio, em volume. Na prática, costuma-se limitar o emprego da queima suplementar até uma temperatura média de queima de 982º C.

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Algumas indústrias têm usado os gases de exaustão de turbinas a gás como ar comburente pré-aquecido para realizar a queima de um combustível numa caldeira “convencional” equipada com queimadores próprios. Por definição, nesse tipo de caldeira, conhecida como caldeira de queima total, o teor de oxigênio nos gases descarregados à atmosfera é igual àquele contido nos gases lançados por uma caldeira que utiliza o ar atmosférico como comburente. A produção de vapor em caldeiras de recuperação de calor do tipo de queima total, é seis a sete vezes maior que a produção de vapor em caldeiras sem queima suplementar. Apesar da sua capacidade de produzir quantidades significativas de vapor, existem pouquíssimas aplicações industriais desse tipo de caldeira, por motivos exclusivamente de ordem econômica. As CRC´s com queima total são caras, por causa da construção mais sofisticada da sua parede de água, e também pela necessidade de montagem no campo.

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5.3 Conceitos Gerais de Dimensionamento As caldeiras de recuperação de calor utilizadas para cogeração em ciclo combinado, possuem uma característica de troca de calor predominantemente convectiva, assim como características de projeto distintas das caldeiras aquatubulares convencionais.

A quantidade de vapor produzido pela caldeira de recuperação de calor é determinada pelo assim denominado pinch point, que é a menor diferença entre a temperatura dos gases na saída do evaporador e a temperatura do vapor saturado. Outro parâmetro importante no dimensionamento das caldeiras de recuperação de calor é o approach point ou ponto de aproximação, definido como a diferença entre a temperatura do vapor saturado e a temperatura da água na saída do economizador. Evidentemente, quanto menor essa diferença, maior será a recuperação de calor e portanto a eficiência da caldeira. Porém, inversamente, a área de troca térmica da caldeira deveria ser maior para que isso ocorresse, de forma que a determinação do pinch point ideal acaba sendo limitada por fatores de ordem técnico-econômica.

É importante destacar que tanto o pinch point quanto o approach point, não podem ser escolhidos de maneira arbitrária. Se forem utilizados tubos lisos, ou se as temperaturas dos gases na entrada forem mais altas, digamos 760 a 816º C, então o pinch point e o approach point terão que ter valores mais elevados.

Pinch Point e Approach Point Recomendados

Item Pinch Point, º C Approach Point, º C

Tipo de evaporador Liso Aletado ---------

Temperatura de entrada de gás, 649 – 982 399 - 649

72 -83 44 -72

17 – 33 6 - 17

22 – 39 6 - 22

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5.4 Aspectos Construtivos Na caldeira de recuperação não existe fornalha e o calor é transmitido pelos gases de combustão provenientes da turbina a gás a modestas diferenças de temperatura, sendo necessário, para tanto, a utilização de grandes áreas de troca térmica. O uso de tubos aletados é, portanto, fundamental para se aumentar efetivamente a área de troca de calor.

Uma caldeira de recuperação de calor, na sua configuração mais simples, terá tipicamente os seguintes componentes principais:

Um tubulão fabricado em aço liga, de alta qualidade, disposto transversalmente ao fluxo dos gases de exaustão provenientes da turbina. Todos os tubos são mandrilados nos furos do tubulão. Internamente, o tubulão é equipado com separadores (scrubbers), para se assegurar a pureza do vapor.

Um superaquecedor do tipo convectivo, que consiste de seções de tubos verticais aletados ou de serpentinas lisas instalados transversalmente ao fluxo dos gases. Este superaquecedor é normalmente instalado na primeira parte da seção de convecção da caldeira, sendo protegido por um número adequado de tubos de anteparo (screen tubes), para se evitar falha devido à fadiga por escoamento, como conseqüência da exposição a altas temperaturas por período de tempo longo.

Um evaporador de alta pressão, que consiste de tubos aletados espaçados adequadamente. No caso de CRC´s com queima total, os que formam a parede externa são do tipo membranado, visando prover um invólucro contínuo para a contenção dos gases. A construção de parede de tubo tangente veda a seção do evaporador e protege o isolamento e a carcaça externa do contato com os gases de exaustão

Um economizador para recuperar calor residual a jusante do evaporador e transferi-lo à água de alimentação, aumentando assim a eficiência térmica da caldeira. Um arranjo típico de economizador consiste no uso de feixes de tubos aletados dispostos horizontalmente ou verticalmente. Economizadores de baixa pressão requerem, por outro lado, a utilização de material resistente à corrosão, sendo que a água de alimentação passando nesta seção pode conter uma concentração alta de oxigênio e a temperatura de superfície externa dos tubos pode ser inferior à temperatura de orvalho dos gases de exaustão.

Os gases oriundos da turbina a gás atravessarão, sucessivamente, as várias seções da caldeira: o superaquecedor, o evaporador de alta pressão, o economizador e o evaporador de baixa pressão, antes de serem expelidos para a atmosfera.

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1. Duto de entrada 12. Carcaça 2. Grade de distribuição 13. Desaerador 3. Superaquecedor de alta pressão 1 14. Chaminé 4. Queimador 15. Pré-aquecedor 5. Superaquecedor dividido 16. Evaporador 6. Superaquecedor de alta pressão 2 17. Economizador AP/BP 7. Catalisador de CO 18. Evaporador de média pressão 8. Tubulão de vapor de alta pressão 19. Superaquecedor de média pressão 9. Suportes superiores 20. Economizador de alta pressão 10 Catalisador SCR 21. Grade de injeção de amônia 11. Tubulão de vapor de baixa pressão 22. Evaporador de alta pressão

5.5 Rendimento A eficiência da caldeira de recuperação de calor determina a proporção do calor contido nos gases de exaustão da turbina convertida em vapor. O calor efetivo fornecido ao vapor = (Calor disponível nos gases de exaustão da

turbina + Calor introduzido pela queima suplementar) X Eficiência da CRC

QSETG

VCRC QQ

QCRCdaEficiência+

=η,

As caldeiras de recuperação de calor, conforme a sua concepção de projeto, apresentam eficiências térmicas na faixa de 85 a 95%. Em geral, as caldeiras de recuperação de calor sem queima suplementar podem ser projetadas

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economicamente para recuperar 95% da energia contida nos gases de exaustão da turbina a gás. Níveis mais altos de desempenho são possíveis; entretanto, o maior custo da superfície de troca térmica e, possivelmente, uma perda de carga maior no circuito de gás, devem ser avaliados para estabelecer se os custos mais elevados são justificados.

5.6 Sistema de Tiragem dos Gases de Exaustão Como as caldeiras de recuperação de calor geralmente não têm fornalha, o seu sistema de tiragem se restringe ao subsistema de exaustão dos gases recebidos da turbina. Não há, por conseguinte, necessidade da utilização de ventilador de tiragem forçada, mesmo no caso de caldeiras com queima suplementar. Entretanto, para permitir a operação do ciclo Rankine quando a turbina a gás estiver inoperante, muitas usinas de ciclo combinado preferem instalar um ventilador de tiragem forçada. Similarmente, o uso de ventilador de tiragem induzida também é dispensado, pois a contrapressão prevalecente na saída de turbina, aliada à tiragem natural proporcionada pela chaminé, normalmente é suficiente para se superar a resistência do circuito de gases.,

Para embutir maior flexibilidade operacional nas instalações de ciclo combinado, é prática normal prover a instalação com uma chaminé de by-pass, tendo em vista que a turbina a gás, eventualmente, poderá operar sozinha, em ciclo aberto, quando os gases de exaustão serão desviados diretamente para a atmosfera através de um sistema composto por "damper", silenciador e esta chaminé de by pass, posicionados no duto que interliga a turbina à caldeira de recuperação.

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Chaminé de Bypass

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5.7 Fabricantes

Alguns fabricantes que atuam, a nível mundial, no projeto e fabricação de caldeiras de recuperação de calor destinadas a usinas termelétricas em ciclo combinado, estão indicados no quadro a seguir:

EMPRESA LOCALIZAÇÃO

1 Aalborg Industries Inc Erie, PA, EUA

2 ABCO Industries Inc Abilene, TX, EUA

3 ALSTOM Energy Systems SHG Inc Wexford, PA, EUA

4 Ambient Technologies Aventura, FL, EUA

5 American Power Services Inc Erlanger, KY, EUA

6 Ansaldo Caldaie SpA Legnano, Milão, ITALIA

7 Ansaldo Energia SpA Genova, ITALIA

8 APV Heat Transfer Americas Tonawanda, NY, EUA

9 ATS/Express Tulsa, OK, EUA

10 Babcock & Wilcox Co, Power Generation Group Barberton, OH, EUA

11 Babcock Borsig Power Inc Worcester, MA, EUA

12 Beaird Industries Inc Shreveport, LA, EUA

13 Boiler Tube Co of America Lyman, SC, EUA

14 Cerrey SA San Nicoles de los Garza, NL,

15 Clayton Industries El Monte, CA, EUA

16 Deltak LLC Plymouth, MN, EUA

17 Des Champs Laboratories Inc Natural Bridge Station, VA, EUA

18 Energy Products of Idaho Coeur d'Alene, ID, EUA

19 Energy Recovery International Lincoln, NE, EUA

20 Enpro Inc Lebanon, NJ, EUA

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21 Foster Wheeler Corp, Power Group Inc Clinton, NJ, EUA

22 Framatome ANP Lynchburg, VA, EUA

23 GE Co Albany, NY, EUA

24 Hague International Kennebunkport, ME,EUA

25 Holman Boiler Works Inc Dallas, TX, EUA

26 Holtec International Marlton, NJ, EUA

27 Ingersoll-Rand Co Davidson, NC, EUA

28 International Power Machinery Co Cleveland, OH, EUA

29 ITT Standard Buffalo, NY,EUA

30 Mitsui Engineering & Shipbuilding Co Ltd Chuo-ku, Tokyo, JAPÃO

31 Noell Inc Herndon, VA, EUA

32 Nooter/Eriksen Fenton, MO, EUA

33 Paul Mueller Co Springfield, MO, EUA

34 Power Max Houston, TX, EUA

35 Reeco Somerville, NJ, EUA

36 Rentech Boiler Systems Inc Abilene, TX, EUA

37 SCAM SpA Turin, ITALIA

38 Standard-Kessel/Lentjes-Fasel GmbH & Co Duisburg 12, ALEMANHA

39 Stewart & Stevenson Houston, TX, EUA

40 Struthers Industries Inc Warren, PA, EUA

41 Thermal Transfer Corp Monroeville, PA, EUA

42 Vaporphase Engineering Controls Inc St Louis, MO,EUA

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6 EQUIPAMENTOS DE CICLO TÉRMICO Além das máquinas motrizes, alternadores e caldeiras, uma usina completa, que opera em ciclo combinado, inclui uma série de elementos secundários, pertencentes ao ciclo de vapor, que afetam o desempenho e a economia da termelétrica. Coletivamente são conhecidos como BOP (Balance of Plant), que literalmente significa “resto da planta”. Abordaremos os mais importantes desses equipamentos.

6.1 Condensador e Torres de Resfriamento

6.1.1 Condensador

Esse equipamento tem as seguintes funções básicas:

• remoção do calor latente do vapor de exaustão da turbina;

• manutenção de uma pressão sensivelmente inferior à pressão atmosférica (vácuo) na saída da turbina de modo a atingir a maior queda entálpica possível e maximizar o desempenho térmico da turbina;

• transformação do vapor em condensado para possibilitar o ingresso do fluído de processo de volta ao ciclo térmico.

O condensador normalmente empregado é do tipo superfície o qual receber água de resfriamento proveniente de um corpo de água natural (sistema de circuito aberto) ou de uma torre de resfriamento (sistema de circuito fechado).

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Um condensador do tipo superfície consiste de uma carcaça construída em chapas de aço carbono soldadas, dotado internamente em cada extremidade de uma câmara conhecida como caixa de água. Bancos de tubos metálicos lisos de material especial (tais como cúproniquel e, bronze-alumínio) fixados em espelhos (normalmente de metal Muntz) separam o espaço entre as duas câmaras.

Os tubos e as caixas de água podem ser dispostos para um fluxo de água através da carcaça de um passo ou de dois passos. No condensador de um passo a água entra a caixa de água de uma extremidade, flui através dos tubos em paralelo e sai na caixa de água do lado oposto. No caso de dois passos, a caixa de água onde a água entra inicialmente é dividida horizontalmente por uma chapa. A água ingressa na parte inferior dessa caixa, passa pelos tubos localizados na metade inferior da carcaça, entra até a caixa de água no lado oposto (sem divisória) e ali inverte o sentido do fluxo passando para os tubos na metade superior da carcaça. A maioria de condensadores de grande porte também possui divisórias verticais para permitir a limpeza ou manutenção da metade do condensador enquanto a outra metade continua funcionando.

O condensado recuperado pelo condensador é armazenado num recipiente localizado em baixo da carcaça, conhecido como poço do condensador tanque cilíndrico.

Para seu perfeito funcionamento, os condensadores necessitam do auxílio dos seguintes equipamentos: bombas para movimentação do condensado e da água de circulação;

ejetores de ar do tipo jato a vapor (lado de vapor);

edutores ou bombas de vácuo para o escorvamento das caixas de água.

6.1.2 Torres de Resfriamento No sistema de água de resfriamento do tipo circuito aberto a água de circulação após passar pelo condensador é conduzida de volta ao corpo de água de origem o qual serve como o reservatório frio para rejeição de calor do ciclo térmico. Hoje em dia por motivos da ordem ambiental a adoção desse sistema é bastante restringida e praticamente tornou-se obrigatório o uso de torres de resfriamento. Uma torre de resfriamento de água é um equipamento termomecânico de operação contínua que se utiliza de transferências de massa e/ou energia para resfriar a água. Existem dois tipos básicos: Úmido ou evaporativo e seco. a) Torres Tipo Úmido ou Evaporativo Para torres do tipo úmido ou evaporativo, os processos de transferência de massa e de calor sucedem expondo a superfície de água ao ar. Para tanto há a necessidade básica da formação máxima de superfície de água, a qual se consegue, por meio de: Borrifamento que gera gotículas de água; Enchimentos que criam filmes ou gotas de água devido ao efeito de respingo.

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As torres de resfriamento podem ser classificados em função do tipo de tiragem empregado para a movimentação de ar, a saber: Torres de resfriamento de tiragem natural – A movimentação do ar depende do

efeito de chaminé, ou seja induzida por meio de diferenças de densidade. Para grandes capacidades podem ser utilizadas torres de tiragem natural com formato hiperbólico, usualmente construídos em concreto.

Torres de tiragem mecânica – A movimentação de ar é efetuada por intermédio de um ventilador. Conforme a localização do ventilador, podem ser do tipo: Tiragem forçada – o ventilador é instalado na entrada do ar na parte inferior da

torre; Induzida – o ventilador é disposto do lado do ar, normalmente no topo da torre.

Há duas variantes:

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Corrente-cruzada – A água em queda vertical é resfriada pelo ar em trajetória horizontal;

Contra-corrente – A água em queda vertical é resfriada pelo ar em trajetória vertical ascendente.

Os componentes básicos de torres do tipo úmido ou evaporativo são: estrutura, sistema de distribuição de água, venezianas, eliminadores de gotas, fechamento, plataforma, cilindro ou difusor do ventilador e bacia de água.

Muitas torres de resfriamento são construídas de forma modular utilizando uma série de células idênticas dispostas lado a lado as quais trabalham em conjunto para atingir a capacidade desejada. O limite teórico dessas torres é a temperatura de bulbo úmido do ar.

b) Torres Secas Quando o uso de água precisa ser minimizado empregam-se torres de resfriamento do tipo seco as quais requerem um volume sensivelmente reduzido de água de reposição. Torres secas utilizam um sistema indireto no qual a água de resfriamento circula num circuito fechado, retira o calor latente do vapor no condensador e o libera para a atmosfera mediante trocadores de calor. Essas torres podem trabalhar com tiragem natural (hiperbólicas) ou com tiragem forçada.

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c) Condensador a Ar Nos casos em que a restrição quanto ao uso de água é total a solução encontrada é a adoção de condensador a ar. Neste sistema emprega-se diretamente o ar para resfriar o vapor conduzido, mediante dutos até a superfícies de troca de calor constituídas de tubos aletados, normalmente dispostas em formato de V invertida. A movimentação da massa de ar é feita por grandes ventiladores instalados abaixo dos módulos de condensação.

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6.2 Desaerador e Pré-Aquecedores de Água de Alimentação Um método usualmente adotado para aumentar a eficiência térmica de ciclos a vapor é o aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira ou simplesmente regeneração. Para realizar esse processo de aquecimento utilizam-se pré-aquecedores de dois tipos, a saber: Tipo aberto; Tipo fechado.

6.2.1 Desaerador Térmico

Pré-aquecedores de água de alimentação do tipo aberto, mais conhecidos como desaeradores térmicos, são usados principalmente para reduzir o teor de oxigênio e outros gases não condensáveis aos limites permissíveis visando proteger a caldeira da ação corrosiva da oxidação. Em segundo lugar, como parte do ciclo de aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira, eles servem para aumentar a eficiência térmica do ciclo térmico.

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Na sua configuração mais comum o desaerador térmico empregado em usina termelétricas consiste de um aquecedor do tipo bandeja ou do tipo combinação spray/bandeja alojado dentro de um vaso de pressão cilíndrico, vertical, montado em cima de um tanque de armazenamento de água de alimentação disposto horizontalmente, também de formato cilíndrico. No aquecedor a água de alimentação é borrifado em películas finas e entra em contato direto com vapor de baixa pressão que a aquece rapidamente até o ponto de saturação. O borrifamento de água aumenta a área de superfície do líquido em contato com o vapor acarretando a remoção mais rápida de oxigênio e a diminuição das concentrações de gases não condensáveis. Esse processo reduz a solubilidade dos gases dissolvidos e facilita sua remoção. Os gases liberados são descarregados à atmosfera.

Os principais critérios para o projeto de desaeradores térmicos, exigidos pelas normas e códigos aplicáveis, são o teor de oxigênio da água de alimentação saindo do equipamento que deve ser limitado a 0,005 cc/l e o gás carbônico residual que deve ser zero.

O desaerador térmico é sempre instalado numa elevação que assegura uma pressão positiva na sucção das bombas de água de alimentação superior à NPSH dessas bombas.

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6.2.2 Pré-Aquecedores de Água de Alimentação

Pré-aquecedores de água de alimentação do tipo fechado são os componentes principais do ciclo de aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira e contribuem sensivelmente no aumento de eficiência térmica e na economia de energia primária. Uma avaliação técnico-econômica é necessária para determinar o número de estágios de aquecimento a ser incorporado no ciclo térmico. Unidades geradoras com turbinas a vapor de condensação freqüentemente utilizam pré-aquecedores de baixa pressão (lado de sucção das bombas de água de alimentação) e pré-aquecedores de alta pressão (no lado de recalque das bombas de água de alimentação).

Os pré-aquecedores de água de alimentação da caldeira são trocadores de calor do tipo casco e tubo de configuração horizontal ou vertical. A troca de calor entre o vapor de aquecimento, extraído das seções intermediárias da turbina a vapor, e da água de alimentação se realiza de modo indireto utilizando para tanto tubos metálicos dispostos em formato de U. A água a ser aquecida normalmente flui dentro dos tubos e o vapor de aquecimento no lado do casco.

Caso o vapor utilizado para aquecimento apresenta um alto grau de superaquecimento é normalmente considerada a inclusão de uma seção de desuperaquecimento, assim como um resfriador de dreno para reduzir a temperatura dos drenos abaixo à temperatura de saturação.

6.3 Bombas A movimentação de líquido nos circuitos de condensado e de água de alimentação do ciclo térmico de vapor de uma usina em ciclo combinado, assim como da água de circulação destinada ao resfriamento do vapor de exaustão da turbina dentro condensador, é realizada através de bombas especiais, a saber: Bombas de extração de condensado; Bombas de água de alimentação; Bombas de água de circulação.

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6.3.1 Bombas de Extração de Condensado

As bombas de extração de condensado transporta o condensado acumulado no poço do condensador até o desaerador. Normalmente são instaladas duas bombas, cada uma dimensionada para conduzir 100% da vazão de condensado produzido no condensador a carga máxima contínua da unidade geradora. Essas bombas trabalham com pressões de aspiração reduzidas (da ordem de 0,5 a 1mCA) e manuseiam água à temperatura de saturação. Para evitar a cavitação as bombas são instaladas a uma elevação abaixo do poço do condensador assim assegurando um NPSH positivo.

Bombas de eixo vertical do tipo imerso, em poço metálico (can), são normalmente empregadas. Caixas de vedação especialmente projetadas evitam o ingresso de ar no fluxo do condensado.

Uma margem em capacidade de 10% é normalmente embutida no dimensionamento das bombas de condensado.

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6.3.2 Bombas de água de Alimentação da Caldeira As bombas de água de alimentação são usadas para pressurizar a água retirada do desaerador e introduzi-la, através dos pré-aquecedores fechados, à caldeira. O número de bombas de água de alimentação instaladas é definido em função do regime operacional previsto, a saber:

Se a caldeira for prevista para operar em regime básica na maior parte do tempo a um fator de potência alto, usam-se normalmente duas bombas, cada uma dimensionada para 110 a 125% da capacidade máxima de geração de vapor da caldeira, sendo uma das bombas mantida como reserva enquanto a outra estiver operando.

Se a caldeira será sujeita às variações drásticas de carga diariamente, usam-se normalmente três bombas, cada uma dimensionada para 55 a 62,5% da capacidade máxima de geração de vapor da caldeira, sendo uma das bombas mantida como reserva enquanto as outras duas estiverem operando.

Bombas do tipo centrífugo, de múltiplo estágio, de execução horizontal são normalmente empregadas. Duas variantes desse tipo são disponíveis, a saber:

Com carcaça bipartida horizontalmente – ate pressão de recalque de 63 kg/cm²;

Com corpo de sucção, recalque e de estágios seccionados verticalmente (barrel type) – Para pressão de recalque superior a 63 kg/cm².

Nota: A vedação entre os corpos de estágio é metálica e a união dos componentes é feita por tirantes que mantém a junção das superfícies metálicas sob pressão. Os corpos de estágio e os tirantes são envoltos por uma camisa. O apoio da bomba é feito na linha de centro do eixo.

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As bombas de água de alimentação são normalmente localizadas na elevação mais baixa da usina ou a uma distância vertical suficientemente afastada do desaerador para assegurar que a pressão na sucção da bomba seja mantida sempre superior à NPSH exigida pela bomba. Freqüentemente, uma bomba booster é instalada a montante da bomba de água de alimentação para reforçar a pressão de aspiração e garantir a sucção positiva superior a NPSH em todos os regimes de carga.

Para prevenir sobreaquecimento e eventual dano, cada bomba de água de alimentação da caldeira é provida de um sistema de controle de recirculação para manter uma vazão mínima segura através da bomba. Quando a vazão mínima da bomba for atingida um elemento de medição (sensor) envia um sinal até um controlador de vazão o qual por sua vez abre uma válvula de controle instalada na linha de recirculação fazendo com que a água fosse desviada até o desaerador.

Adicionalmente, cada bomba possui um sistema de aquecimento para permitir sua entrada rápida em operação caso estiver em standby.

As bombas de água de alimentação da caldeira são normalmente acionadas por motores elétricos e a variação de pressão é obtida por variadores de velocidade hidrodinâmicos ou magnéticos. Em alguns casos a utilização de turbinas a vapor como acionadores poderiam ser justificada Essa decisão deve ser tomada após uma avaliçaõ técnico-econômica criteriosa

6.3.3 Bombas de Água de Circulação As bombas de água de circulação instaladas em usinas termelétricas em ciclo combinado tem por finalidade bombear água de resfriamento de um corpo de água (circuito aberto) ou de uma torre de resfriamento (circuito fechado) através de tubos no interior do condensador, a fim de que, com o resfriamento, seja obtida a condensação do vapor. Em instalações pequenas e médias, usam-se bombas com carcaça voluta de dupla aspiração, de execução horizontal, mas para usinas de grande porte preferem-se bombas de eixo vertical, com rotor tipo hélico-centrífugo, helicoidal ou axial, as quais

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melhor se adequam ao manuseio de água de grandes quantidades às baixas alturas manométricas.

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QUADRO COMPARATIVO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO

MÁQUINA MOTRIZ

COMBUSTÍVEL UTILIZADO

FAIXA DE POTÊNCIA

( MWE)

RELAÇÃO CALOR /

ELETRICIDADE

EFICIÊNCIA DE

GERAÇÃO ELÉTRICA

EFICIÊNCIA GLOBAL TÍPICA

FORMA / QUALIDADE DO

CALOR PRODUZIDO

Turbina de contrapressão

Qualquer combustível fóssil ou biomassa

0,5 a 500 3:1 a 10:1+ 7 a 20% Até 80% Vapor em dois níveis de pressão

ou mais

Turbina de extração/ condensação

Qualquer combustível fóssil ou biomassa

1 a 100+ 3:1 a 8:1+ 10 a 20% Até 80% Vapor em dois níveis de pressão

ou mais

Turbina a gás, ciclo simplés

Gás natural, biogás, óleo diesel, óleo pesado, óleo leve, GLP, nafta

0,25 a 50+ 1.5:1 a 5:1* 25 a 42% 65 a 87% Vapor de qualidade média; água quente de alta temperatura

Ciclo combinado

Gás natural, biogás, óleo diesel, óleo leve, GLP, nafta

3 a 300+ 1:1 a 3:1* 35 a 55% 73 a 90% Vapor de qualidade média; água quente de alta temperatura

Motor Diesel Gás natural, biogás, óleo diesel, óleo pesado, óleo leve, GLP, nafta

0,2 a 20 0,5:1 a 3:1* 35 a 45% 85 a 90% Vapor de baixa pressão; água

quente de baixa e média

temperatura

Motor Otto Gás natural, biogás, nafta

0,003 a 6 1:1 a 3:1 25 a 43% 70 a 92% Água quente de baixa e média temperatura

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82

VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS OPÇÕES DE MÁQUINA MOTRIZ PARA COGERAÇÃO

Máquina Motriz Vantagens Desvantagens

Turbinas a vapor

Alta eficiência global ; Pode usar qualquer tipo de combustível; Pode variar relações calor/eletricidade através da flexibilização de operação; Capacidade de fornecer calor em várias formas (vapor de média pressão, vapor de baixa pressão, água quente) e qualidade; Faixas amplas de capacidade disponíveis no mercado mundial; Vida útil longa.

Altas razões calor/eletricidade; Custo de implantação alto; Partida lenta.

Turbinas a gás

Alta confiabilidade que permite operação não acompanhada; Disponibilidade de calor de alta qualidade; Alta velocidade constante permitindo controle otimizada da freqüência; Alta relação potência/peso; Dispensa o uso de água de resfriamento; Custo de investimento por kWe instalado relativamente baixo; Capacidade de queimar vários tipos de combustível (óleo diesel, GPL, nafta, gás natural, biogás); Níveis baixo de emissão de poluentes.

Número limitado de modelos dentro da faixa de potência ; Eficiência mecânica inferior a dos motores de combustão interna; Para queima de gás, precisam de suprimento de alta pressão ou de compressores boosters; Níveis altos de ruído; Eficiência baixa nas cargas baixas;Podem operar com combustíveis menos nobres porém os mesmos devem ser submetidos a um pré-tratamento para limpeza; Potência cai a medida que a temperatura ambiental aumente; Períodos mais longos para manutenção.

Motores de combustão

interna

Eficiência de geração de eletricidade elevada, alcançavel sobre uma faixa ampla; Custo de investimento por kWe instalado relativamente baixo; Faixa ampla de capacidade a partir de 3 kWe Flexibilidade operacional a cargas parciais de 30% a 100% com rendimento elevado; Partida rápida até carga plena (15 segundos, enquanto turbinas a gás precisam de 0,5 a 2 horas); Capacidade de queimar vários tipos de combustível inclusive óleo pesado sem pré-tratamento e gás de baixa pressão (até 1 bar); Podem ser submetidos à manutenção geral in situ; Baixo custo de investimento em tamanhos menores.

Devem ser sempre resfriados, mesmo se o calor recuperado não será aproveitado; Baixa relação potência/peso; Requerem fundações substanciais; Alto nível de ruído de baixa freqüência; Custos de manutenção altos.

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7 ENCERRAMENTO O assunto de cogeração de energia é bastante atual para o Brasil. Uma simples análise do perfil energético brasileiro permite avaliar a importância do fornecimento de energia elétrica para a atividade industrial. As indústrias brasileiras necessitam de energia elétrica para as mais diversas finalidades, desde os simples acionamentos eletromecânicos até os mais sofisticados sistemas de processamento de dados. A modernização e a expansão das atividades produtivas dessas indústrias implicam necessariamente em aumento no consumo de eletricidade. Por ser um consumidor intensivo de energia elétrica, o setor industrial brasileiro precisa ser assegurado de um suprimento confiável, econômico e contínuo desta importante commodity. A cogeração de energia representa atualmente uma das melhores opções tecnológicas para se alcançar esse objetivo.

A atividade industrial está sempre buscando novas e melhores maneiras para a diminuição das despesas operacionais, para a redução das perdas energéticas e, simultaneamente, para satisfazer a legislação ambiental. Um caminho para alcançar todos esses objetivos é um conceito centenário – cogeração de energia. Vale a pena renovar o interesse brasileiro na aplicação, tanto industrial, como comercial dessa tecnologia.

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Ampliação da Usina Termelétrica da REPLAN que consiste basicamente da implantação de dois gruposturbo-geradores a gás de 19 MW cada, duas caldeiras de recuperação de calor e equipamentos eletromecânicos auxiliares. A consolidação do projeto básico e a elaboração do projeto executivo foram realizadas pela QUALITECH.

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