Capítulo 1 - Programa de de Pós-Graduação em Engenharia ...
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À Aline, Giovanna, meus pais e irmãos.
AGRADECIMENTOS<br />
Primeiramente, agra<strong>de</strong>ço a Deus por dar-me forças nos momentos mais difíceis no<br />
<strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong>ssa dissertação.<br />
Em especial à Aline e à Giovanna pelo incentivo e pelas vezes <strong>em</strong> que fui ausente.<br />
À minha mãe e à minha irmã Vera, pela ajuda e <strong>de</strong>dicação.<br />
À professora Elizabeth Marques, mais que uma perfeita orientadora, uma gran<strong>de</strong> amiga.<br />
Ao professor Luís pela colaboração e informações valiosas sobre análise econômica.<br />
Ao professor Alexandre Marcial, pelos esclarecimentos e conselhos.<br />
À Fundação Hospitalar <strong>de</strong> Minas Gerais (Fh<strong>em</strong>ig), nas pessoas <strong>de</strong> Júlio, Rubens, Paola<br />
e Paulino, por proporcionar<strong>em</strong> meios s<strong>em</strong> os quais este trabalho não teria sido realizado.<br />
À Gasmig, na pessoa do Eng. Décio, pelas informações <strong>de</strong> extr<strong>em</strong>a importância.<br />
À Bosch Rexroth pela ajuda no financiamento <strong>de</strong>ste trabalho.<br />
Ao Carlos Renato, pela amiza<strong>de</strong> e disposição <strong>em</strong> cooperar.<br />
Aos colegas <strong>de</strong> trabalho e do Green pela colaboração e apoio.
RESUMO<br />
A trigeração consiste na geração simultânea <strong>de</strong> energia elétrica, vapor e água gelada obtidos<br />
a partir <strong>de</strong> um mesmo combustível ao utilizar uma fonte geradora <strong>de</strong> potência, uma cal<strong>de</strong>ira<br />
<strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor e um chiller <strong>de</strong> absorção, respectivamente. Neste trabalho foi<br />
<strong>de</strong>senvolvida uma metodologia para avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração<br />
aplicada ao setor terciário da economia, baseando-se nos conceitos da conservação e<br />
disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> energia. O <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> um programa computacional no<br />
ambiente EES – Engineering Equation Solver automatiza o diagnóstico <strong>de</strong>ste sist<strong>em</strong>a<br />
analisando os equipamentos <strong>em</strong> separado b<strong>em</strong> como os ciclos completos. Os resultados da<br />
simulação técnica apresentaram uma eficiência energética <strong>de</strong> 77,5% e exergética <strong>de</strong> 36,9 %.<br />
Este estudo foi submetido a uma análise econômica <strong>em</strong> diferentes cenários para verificação<br />
do t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> retorno do investimento. O cenário mais a<strong>de</strong>quado, que nesta simulação<br />
apresentou um t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> retorno <strong>de</strong> aproximadamente 8 anos, foi caracterizado pela<br />
redução <strong>de</strong> 50 % sobre o valor da tarifa do gás natural praticada pelas concessionárias no<br />
setor industrial.<br />
i
ABSTRACT<br />
Trigeneration means simultaneous generation of electricity, steam and chilled water from<br />
the same fuel by means of a prime mover, a waste heat boiler recovery and an absorption<br />
chiller, respectively. For this study a methodology to evaluate trigeneration syst<strong>em</strong>s<br />
performance was <strong>de</strong>veloped, applied to the third sector of economy, based on the concepts<br />
of energy conservation and availability. The <strong>de</strong>velopment of a computer program in the<br />
EES - Engineering Equation Solver environment automates the diagnostic of this syst<strong>em</strong><br />
analyzing the equipments separately, as well as the complete cycles. The results of the<br />
technical simulation were submitted to economics analysis, in or<strong>de</strong>r to verify investment<br />
payback in different settings. The most appropriated setting, which in this simulation<br />
showed an approximately 8 years investment payback, was characterized by the reduction<br />
of 50% in the natural gas rates applied for the retailers to the industrial sector.<br />
ii
SUMÁRIO<br />
RELAÇÃO DE FIGURAS vi<br />
RELAÇÃO DE TABELAS viii<br />
NOMENCLATURA x<br />
<strong>Capítulo</strong> 1 – INTRODUÇÃO<br />
1.1 Motivação 1<br />
1.2 Objetivos 1<br />
1.3 Cogeração e trigeração 2<br />
1.4 Estado da arte – Revisão Bibliográfica 4<br />
1.5 Escopo do trabalho 10<br />
1.6 Relevância do t<strong>em</strong>a 11<br />
<strong>Capítulo</strong> 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA<br />
2.1 Gás natural 12<br />
2.2 Método da disponibilida<strong>de</strong> e conversão da energia 13<br />
2.3 Equipamentos e ciclos termodinâmicos típicos para cogeração e trigeração 19<br />
2.3.1 Turbina a gás 19<br />
2.3.2 Motor a gás 25<br />
2.3.3 Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor sensível 28<br />
2.3.4 Refrigeração por absorção 30<br />
iii
2.4 Análise Econômica 35<br />
<strong>Capítulo</strong> 3 – METODOLOGIA DE TRABALHO<br />
3.1 Aspectos gerais da metodologia 38<br />
3.2 Equipamentos térmicos básicos aplicados a sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração 39<br />
3.2.1 Equipamento <strong>de</strong> força motriz 39<br />
3.2.2 Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor sensível 40<br />
3.2.3 Chiller <strong>de</strong> absorção 40<br />
3.3 Critério <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho para sist<strong>em</strong>as energéticos 40<br />
3.4 Estudo econômico para sist<strong>em</strong>as energéticos 45<br />
<strong>Capítulo</strong> 4 – ROTINA COMPUTACIONAL PARA AVALIAÇÃO DOS<br />
DESEMPENHOS ENERGÉTICO E EXERGÉTICO<br />
4.1 Fluxograma <strong>de</strong> seleção dos equipamentos da trigeração 48<br />
4.2 Fluxograma da sub-rotina <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
trigeração pela Primeira Lei da Termodinâmica 49<br />
4.3 Fluxograma da sub-rotina <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
Trigeração pela Segunda Lei da Termodinâmica 50<br />
<strong>Capítulo</strong> 5 – ESTUDO DE CASO APLICADO AO HOSPITAL<br />
JOÃO XXIII E ANÁLISE DOS RESULTADOS<br />
5.1 Configuração atual do Hospital João XXIII 52<br />
5.2 Apresentação da configuração proposta 58<br />
5.2.1 Apresentação dos resultados obtidos a partir da Primeira Lei<br />
da Termodinâmica 60<br />
iv
5.2.2 Apresentação dos resultados obtidos a partir da Segunda Lei<br />
da Termodinâmica 62<br />
5.3 Análise <strong>de</strong> sensibilida<strong>de</strong> 64<br />
<strong>Capítulo</strong> 6 – CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS 72<br />
<strong>Capítulo</strong> 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS<br />
Bibliografia citada 74<br />
Bibliografia compl<strong>em</strong>entar 76<br />
Referências eletrônicas 77<br />
APÊNDICES<br />
Apêndice A Banco <strong>de</strong> dados das turbinas a gás 79<br />
Apêndice B Banco <strong>de</strong> dados dos chillers <strong>de</strong> absorção 82<br />
Apêndice C Cálculo das eficiências dos equipamentos existentes no<br />
Hospital João XXIII 84<br />
ANEXOS<br />
Anexo 1 <strong>Programa</strong> computacional TrigeraTG 86<br />
v
<strong>Capítulo</strong> 1 – INTRODUÇÃO<br />
RELAÇÃO DE FIGURAS<br />
Figura 1.1 – Esqu<strong>em</strong>a típico <strong>de</strong> trigeração 3<br />
Figura 1.2 – Conversão da energia 3<br />
Figura 1.3 – Evolução da cogeração <strong>em</strong> países da Europa 1999-2010 5<br />
<strong>Capítulo</strong> 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA<br />
Figura 2.1 – Trabalho reversível 14<br />
Figura 2.2 – Ciclo-padrão <strong>de</strong> ar Brayton para turbina a gás 20<br />
Figura 2.3 – Turbina a gás que opera segundo um ciclo Brayton 21<br />
Figura 2.4 – Trigeração com turbina a gás 24<br />
Figura 2.5 – Balanço térmico <strong>de</strong> um motor a gás 25<br />
Figura 2.6 – Ciclo-padrão ar Diesel 26<br />
Figura 2.7 – Trigeração com motor a gás 28<br />
Figura 2.8 – Esqu<strong>em</strong>a básico <strong>de</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação 29<br />
Figura 2.9 – Diagrama t<strong>em</strong>peratura x calor transferido 29<br />
Figura 2.10 – Ciclo básico <strong>de</strong> refrigeração por absorção 31<br />
Figura 2.11 – Representação do ciclo <strong>de</strong> Carnot para refrigeração por absorção 32<br />
vi
<strong>Capítulo</strong> 3 – METODOLOGIA DE TRABALHO<br />
Figura 3.1 – Esqu<strong>em</strong>a típico <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração 41<br />
<strong>Capítulo</strong> 4 – ROTINA COMPUTACIONAL PARA AVALIAÇÃO DO<br />
DESEMPENHO ENERGÉTICO E EXERGÉTICO<br />
Figura 4.1 – Fluxograma <strong>de</strong> seleção dos equipamentos <strong>de</strong> trigeração 48<br />
Figura 4.2 – Fluxograma <strong>de</strong> avaliação <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Primeira Lei 49<br />
Figura 4.3 – Fluxograma <strong>de</strong> avaliação <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Segunda Lei 51<br />
<strong>Capítulo</strong> 5 – ESTUDO DE CASO APLICADO AO HOSPITAL JOÃO XXIII<br />
E ANÁLISE DOS RESULTADOS<br />
Figura 5.1 – Cal<strong>de</strong>ira flamotubular do Hospital João XXIII 55<br />
Figura 5.2 – Chiller <strong>de</strong> compressão Hitachi 57<br />
Figura 5.3 – Esqu<strong>em</strong>a do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração com parâmetros da Primeira Lei 60<br />
Figura 5.4 – Esqu<strong>em</strong>a do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração com parâmetros da Segunda Lei 62<br />
Figura 5.5 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 1 68<br />
Figura 5.6 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 2 69<br />
Figura 5.7 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 3 70<br />
Figura 5.8 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 4 70<br />
Figura 5.9 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 5 71<br />
vii
<strong>Capítulo</strong> 1 – INTRODUÇÃO<br />
RELAÇÃO DE TABELAS<br />
Tabela 1.1- Alguns sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração e trigeração instalados <strong>em</strong> indústrias<br />
no Brasil 7<br />
<strong>Capítulo</strong> 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA<br />
Tabela 2.1 – Comparação entre os pares <strong>de</strong> trabalho 34<br />
Tabela 2.2 – Comparação entre chillers <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong> simples e duplo efeito 35<br />
<strong>Capítulo</strong> 5 – ESTUDO DE CASO APLICADO AO HOSPITAL JOÃO XXIII<br />
E ANÁLISE DOS RESULTADOS<br />
Tabela 5.1 – Caracterização energética dos centros <strong>de</strong> consumo do<br />
Hospital João XXIII 53<br />
Tabela 5.2 – Consumo <strong>de</strong> energia mensal durante o ano 2004 54<br />
Tabela 5.3 – Distribuição do consumo <strong>de</strong> vapor 56<br />
Tabela 5.4 – Resultados das eficiências calculadas 58<br />
Tabela 5.5 – Resultados dos cálculos para o ciclo da turbina a gás pela Primeira Lei 60<br />
Tabela 5.6 – Resultados dos cálculos para a cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação pela Primeira Lei 61<br />
Tabela 5.7 – Resultados para os cálculos do chiller <strong>de</strong> absorção pela Primeira Lei 61<br />
Tabela 5.8 – Parâmetros <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Primeira Lei 62<br />
Tabela 5.9 – Resultados para os cálculos do ciclo da turbina a gás pela Segunda Lei 63<br />
Tabela 5.10 – Resultados para os cálculos da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação pela Segunda Lei 63<br />
viii
Tabela 5.11 – Resultados para os cálculos para o chiller <strong>de</strong> absorção pela Segunda Lei 63<br />
Tabela 5.12 – Parâmetros <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Segunda Lei 63<br />
Tabela 5.13 – Custos operacionais atuais 64<br />
Tabela 5.14 – Custo do investimento para o sist<strong>em</strong>a proposto 66<br />
Tabela 5.15 – Custo <strong>de</strong> investimento <strong>em</strong> equipamentos para trigeração 66<br />
Tabela 5.16 – Custos operacionais do sist<strong>em</strong>a proposto 67<br />
Apêndice A BANCO DE DADOS DAS TURBINAS A GÁS<br />
Tabela A.1 - Dados técnicos e econômicos das turbinas a gás 79<br />
Apêndice B BANCO DE DADOS DOS CHILLERS DE ABSORÇÃO<br />
Tabela B.1 – Dados técnicos dos chillers <strong>de</strong> absorção 82<br />
ix
Variáveis<br />
A disponibilida<strong>de</strong> [kW]<br />
NOMENCLATURA<br />
Abomba disponibilida<strong>de</strong> associada ao trabalho realizado pela bomba <strong>de</strong> solução do<br />
chiller <strong>de</strong> absorção [kW]<br />
Acc transferência <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> calor na câmara <strong>de</strong> combustão da turbina<br />
a gás [kW]<br />
Aequip disponibilida<strong>de</strong> associada ao trabalho realizado pelos equipamentos<br />
auxiliares do chiller <strong>de</strong> absorção [kW]<br />
A f disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> fluxo [kW]<br />
Afrio disponibilida<strong>de</strong> da água gelada produzida pelo chiller [kW]<br />
Agas disponibilida<strong>de</strong> do gás produzido <strong>em</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação [kW]<br />
Aq disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> calor [kW]<br />
A vapchiller disponibilida<strong>de</strong> do vapor <strong>de</strong> alimentação do chiller [kW]<br />
Avapor disponibilida<strong>de</strong> total <strong>de</strong> vapor produzido pela cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação [kW]<br />
A vapprocesso<br />
disponibilida<strong>de</strong> do vapor <strong>de</strong>stinado ao processo [kW]<br />
Aw disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> trabalho [kW]<br />
AUF fator <strong>de</strong> utilização da disponibilida<strong>de</strong> [Adimensional]<br />
a f disponibilida<strong>de</strong> específica <strong>de</strong> fluxo [kJ/kg]<br />
x
aq disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> calor [ kJ/kg]<br />
a w disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> trabalho [kJ/kg]<br />
COP coeficiente <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho [Adimensional]<br />
c p calor específico à pressão constante [kJ/kg K]<br />
E evento <strong>de</strong> pagamento [R$]<br />
EUF fator <strong>de</strong> utilização da energia [Adimensional]<br />
F energia do combustível [kW]<br />
FASR taxa <strong>de</strong> economia da disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> combustível [Adimensional]<br />
FESR taxa <strong>de</strong> economia da energia <strong>de</strong> combustível [Adimensional]<br />
h entalpia específica [kJ/kg]<br />
I irreversibilida<strong>de</strong> [kW]<br />
i taxa <strong>de</strong> juros mensal [%]<br />
k razão entre os calores específicos a pressão e volume constantes<br />
[Adimensional]<br />
k 1<br />
razão entre a t<strong>em</strong>peratura dos gases na entrada na turbina e a t<strong>em</strong>peratura do<br />
ar na entrada do compressor <strong>em</strong> uma turbina a gás [Adimensional]<br />
.<br />
m vazão mássica [kg/s]<br />
m .<br />
m .<br />
gas<br />
vapor<br />
vazão mássica do gás produzido pelo equipamento <strong>de</strong> força motriz [kg/s]<br />
vazão mássica <strong>de</strong> vapor produzido pela cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação [kg/s]<br />
n número <strong>de</strong> meses<br />
r p<br />
razão entre os volumes durante a expansão isobárica no motor a gás<br />
[Adimensional]<br />
xi
v<br />
razão <strong>de</strong> compressão [Adimensional]<br />
s entropia específica [kJ/kg K]<br />
p pressão [kPa]<br />
PCI po<strong>de</strong>r calorífico inferior [kJ/kg]<br />
pinch pinch Point [ºC]<br />
PV Valor presente [R$]<br />
.<br />
Q taxa <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor [kW]<br />
.<br />
frio<br />
Q taxa <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor recebida pela água gelada [kW]<br />
T t<strong>em</strong>peratura [K]<br />
V volume [m 3 ]<br />
v volume específico [m 3 /kg]<br />
V .<br />
f<br />
volume <strong>de</strong> combustível admitido no sist<strong>em</strong>a [Nm 3 /s]<br />
z nível <strong>de</strong> referência [m]<br />
W potência [kW]<br />
w trabalho [kJ]<br />
Letras Gregas<br />
α razão entre as potências térmica <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> calor e trabalho<br />
[Adimensional]<br />
β razão entre as disponibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> calor e trabalho [Adimensional]<br />
∆Af<br />
economia <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> [Adimensional]<br />
xii
∆Agas<br />
variação da disponibilida<strong>de</strong> cedida pelo gás na cal<strong>de</strong>ira [kW]<br />
∆F economia <strong>de</strong> combustível [Adimensional]<br />
δ W mudança <strong>de</strong> trabalho realizado <strong>de</strong>vido ao movimento <strong>de</strong> fronteira [kJ]<br />
δ aq<br />
mudança <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> calor [kJ/kg]<br />
δ q perda <strong>de</strong> calor pelo sist<strong>em</strong>a [kJ/kg]<br />
ε eficiência térmica pela Segunda Lei [%]<br />
η eficiência térmica pela Primeira Lei [%]<br />
κ razão entre as potência térmica <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> frio e trabalho [Adimensional]<br />
ρ p razão <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura isoentrópica no compressor da turbina a gás<br />
[Adimensional]<br />
σ razão entre as disponibilida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> frio e trabalho [Adimensional]<br />
.<br />
σ taxa <strong>de</strong> produção <strong>de</strong> entropia causada por irreversibilida<strong>de</strong> [kW]<br />
Subscritos<br />
0 condições ambientes<br />
a chiller <strong>de</strong> absorção<br />
c sist<strong>em</strong>a convencional <strong>de</strong> produção energética<br />
cc câmara <strong>de</strong> combustão<br />
cald cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor sensível<br />
cg cogeração<br />
xiii
disp disponível<br />
e entrada <strong>em</strong> um volume <strong>de</strong> controle<br />
eco economizador<br />
ev evaporador do chiller <strong>de</strong> absorção<br />
f Volume <strong>de</strong> controle<br />
g gerador do chiller <strong>de</strong> absorção<br />
h fonte a alta t<strong>em</strong>peratura<br />
liq líquido<br />
mg motor a gás<br />
tg turbina a gás<br />
trig trigeração<br />
rev reversível<br />
s saída <strong>de</strong> um volume <strong>de</strong> controle<br />
Siglas<br />
BNDES Banco Nacional <strong>de</strong> Desenvolvimento Econômico e Social<br />
CICE Comissão Interna <strong>de</strong> Conservação <strong>de</strong> Energia<br />
CEMIG Companhia Energética <strong>de</strong> Minas Gerais<br />
CHP Combined Heat and Power (Geração <strong>de</strong> calor e potência combinada)<br />
EES Engineering Equation Solver<br />
GASMIG Companhia <strong>de</strong> Gás <strong>de</strong> Minas Gerais<br />
TJLP Taxa <strong>de</strong> Juros a Longo Prazo<br />
xiv
1.1 Motivação<br />
<strong>Capítulo</strong> 1<br />
INTRODUÇÃO<br />
A necessida<strong>de</strong> da melhoria da infra-estrutura energética é um fator prepon<strong>de</strong>rante para o<br />
<strong>de</strong>senvolvimento econômico do país. A viabilida<strong>de</strong> econômica promovida pela<br />
cogeração e trigeração foi fundamental para o surgimento <strong>de</strong> <strong>em</strong>presas especializadas<br />
neste segmento tecnológico. Como ex<strong>em</strong>plo po<strong>de</strong>-se citar a Cogen-SP, <strong>em</strong> São Paulo, a<br />
Cogerar no Rio <strong>de</strong> Janeiro e a Efficientia, <strong>em</strong> Minas Gerais.<br />
Além do fator econômico, é notória a necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> reduzir a <strong>de</strong>gradação ambiental<br />
nas transformações energéticas. Daí, a importância do gás natural, que é um<br />
combustível abundante mundialmente e com características tais que o qualifica como<br />
insumo <strong>de</strong> reduzido nível <strong>de</strong> poluição após a queima.<br />
No Brasil, cuja geração <strong>de</strong> energia elétrica é centralizada e <strong>de</strong> orig<strong>em</strong> hidráulica, a atual<br />
participação da cogeração com gás natural na matriz energética é bastante discreta e<br />
restrita aos Estados do Rio <strong>de</strong> Janeiro e São Paulo.<br />
1.2 Objetivos<br />
O presente trabalho propõe o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> uma metodologia <strong>de</strong> avaliação do<br />
<strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho energético e exergético <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração através <strong>de</strong> um programa<br />
computacional <strong>de</strong>senvolvido no ambiente do EES – Engineering Equation Solver.<br />
Definida a configuração dos componentes e equipamentos é feita uma análise<br />
econômica para verificação da viabilida<strong>de</strong> do mesmo.<br />
1
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 2<br />
Os objetivos específicos <strong>de</strong>ste trabalho são:<br />
• I<strong>de</strong>ntificar os equipamentos térmicos básicos aplicados à trigeração e elaborar<br />
sua respectiva base <strong>de</strong> dados para a simulação computacional;<br />
• Desenvolver as equações <strong>de</strong> eficiência térmica pela Primeira e Segunda Leis da<br />
Termodinâmica para os equipamentos <strong>em</strong> separado e para o ciclo<br />
correspon<strong>de</strong>nte;<br />
• Desenvolver as rotinas <strong>de</strong> programação da metodologia proposta;<br />
• Desenvolver e impl<strong>em</strong>entar rotinas automatizadas <strong>de</strong> análise econômica com<br />
base no mo<strong>de</strong>lo do Valor Presente Líquido;<br />
• Aplicar a metodologia proposta <strong>em</strong> um estudo <strong>de</strong> caso do setor terciário para sua<br />
validação.<br />
1.3 Cogeração e Trigeração<br />
Os sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração são aqueles que produz<strong>em</strong>, a partir <strong>de</strong> um mesmo<br />
combustível, as energias elétrica e térmica, esta última subdividida <strong>em</strong> calor e frio. Um<br />
sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração é um ciclo <strong>de</strong> cogeração que produz eletricida<strong>de</strong> e vapor,<br />
associado a um ou mais chillers <strong>de</strong> absorção e, ao compará-lo aos sist<strong>em</strong>as<br />
convencionais <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia, apresentam maiores eficiências globais e uma<br />
significativa redução nos impactos ambientais.<br />
A Figura 1.1 representa um esqu<strong>em</strong>a típico <strong>de</strong> trigeração, on<strong>de</strong> a potência mecânica<br />
gerada pela turbina ou motor a gás é usada no acionamento <strong>de</strong> alternadores para<br />
produção <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>. Os gases <strong>de</strong> exaustão <strong>de</strong>sta fonte motriz são utilizados para<br />
trocar calor <strong>em</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação, produzindo vapor ou água a alta<br />
t<strong>em</strong>peratura. Uma parte <strong>de</strong>ste insumo é utilizada no processo, a outra parte é enviada ao<br />
gerador do chiller <strong>de</strong> absorção, para produção <strong>de</strong> água gelada.<br />
Também é consi<strong>de</strong>rada como trigeração a produção <strong>de</strong> potência elétrica, vapor e água a<br />
alta t<strong>em</strong>peratura durante o inverno e água gelada durante o verão, <strong>em</strong> países on<strong>de</strong> as<br />
estações climáticas são b<strong>em</strong> <strong>de</strong>finidas.
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 3<br />
Combustível<br />
Turbina<br />
Motor a gás<br />
Figura 1.1 – Esqu<strong>em</strong>a típico <strong>de</strong> trigeração<br />
A Figura 1.2 representa o fluxo da conversão da energia <strong>em</strong> um ciclo <strong>de</strong> trigeração.<br />
Combustível<br />
100 %<br />
Eletricida<strong>de</strong><br />
Vantagens da cogeração e da trigeração<br />
~<br />
Vapor ou água<br />
a alta t<strong>em</strong>peratura<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
recuperação<br />
Trigeração<br />
Figura 1.2 – Conversão da energia<br />
Adaptado <strong>de</strong> TRIGEMED (2004)<br />
30 %<br />
Energia<br />
térmica 55 %<br />
Chiller <strong>de</strong><br />
absorção<br />
Perdas <strong>de</strong> calor<br />
Água<br />
gelada<br />
Energia elétrica<br />
Refrigeração<br />
O potencial para plantas <strong>de</strong> cogeração e <strong>de</strong> trigeração no mundo t<strong>em</strong> aumentado nos<br />
últimos anos <strong>de</strong>vido ao crescimento econômico, aumento da <strong>de</strong>manda energética,<br />
aumento da ativida<strong>de</strong> <strong>de</strong> produção <strong>de</strong> gás natural e <strong>de</strong>vido às preocupações ambientais.<br />
As técnicas para aplicação da cogeração e da trigeração vêm sendo difundidas <strong>em</strong><br />
função das vantagens que estas oferec<strong>em</strong>, por ex<strong>em</strong>plo:<br />
• A impl<strong>em</strong>entação <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> cogeração po<strong>de</strong> reduzir <strong>em</strong><br />
aproximadamente 25% o consumo <strong>de</strong> combustível comparado à produção da<br />
13 %<br />
2 %<br />
Perdas <strong>em</strong> linha
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 4<br />
mesma potência <strong>em</strong> sist<strong>em</strong>as individuais. Tais sist<strong>em</strong>as são chamados <strong>de</strong><br />
sist<strong>em</strong>as convencionais <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia;<br />
• Há uma redução similar da poluição atmosférica, <strong>de</strong>vido à melhor utilização do<br />
potencial térmico do gás natural ou gases residuais <strong>de</strong> processos industriais. As<br />
<strong>em</strong>issões <strong>de</strong> SO2, comuns quando se utiliza combustíveis <strong>de</strong>rivados do petróleo,<br />
são reduzidas a zero;<br />
• T<strong>em</strong>po <strong>de</strong> instalação e início <strong>de</strong> operação relativamente curto;<br />
• Favorece a produção <strong>de</strong>scentralizada <strong>de</strong> energia, reduzindo a necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
instalação <strong>de</strong> gran<strong>de</strong>s centrais termelétricas ou <strong>de</strong> usinas hidrelétricas.<br />
A cogeração e a trigeração na Europa<br />
A Figura 1.3 representa a tendência evolutiva da cogeração <strong>em</strong> países europeus para os<br />
anos <strong>de</strong> 1999 a 2010, on<strong>de</strong> po<strong>de</strong> ser observado que países como a Dinamarca, Finlândia<br />
e Holanda têm gran<strong>de</strong> parte <strong>de</strong> sua energia elétrica gerada através da cogeração.<br />
Estes sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> produção energética apresentam enorme potencial <strong>de</strong> aplicação nas<br />
indústrias e instalações do setor terciário, <strong>de</strong>vido à <strong>de</strong>manda contínua e <strong>em</strong> quantida<strong>de</strong>s<br />
consi<strong>de</strong>ráveis dos insumos energéticos gerados e, usualmente, <strong>em</strong> situações <strong>em</strong> que o<br />
número <strong>de</strong> horas anuais <strong>de</strong> operação seja superior a 4.000 (Trig<strong>em</strong>ed, 2004).<br />
1.4 Estado da Arte – Revisão Bibliográfica<br />
Para automatizar o crescimento da cogeração estão sendo disponibilizados pelos<br />
fabricantes equipamentos simples e integrados que produz<strong>em</strong> eletricida<strong>de</strong> e energia<br />
térmica, <strong>de</strong>ntre eles se <strong>de</strong>staca o chamado CHP (Combined Heat and Power). Os<br />
equipamentos CHP são constituídos por uma turbina ou motor a gás e uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
recuperação. Os gases gerados pela combustão na fonte motriz têm seu potencial<br />
térmico recuperado na cal<strong>de</strong>ira gerando vapor ou água a alta t<strong>em</strong>peratura.<br />
Elliott e Spurr (1999) apresentaram estudo citando que a eficiência <strong>de</strong> um equipamento<br />
CHP é obtida através da contribuição das eficiências individuais dos equipamentos. A<br />
eficiência global po<strong>de</strong> ultrapassar 80%, quando a produção térmica é superior à<br />
produção elétrica.
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 5<br />
Green (1999) relatou que os países da União Européia e os Estados Unidos<br />
estabeleceram o objetivo <strong>de</strong> ampliar a capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong> através <strong>de</strong><br />
CHP <strong>de</strong> 9% para 18% até 2010.<br />
Média- Europa<br />
Áustria<br />
Bélgica<br />
Dinamarca<br />
Finlândia<br />
França<br />
Al<strong>em</strong>anha<br />
Grécia<br />
Irlanda<br />
Itália<br />
Holanda<br />
Portugal<br />
Espanha<br />
Suécia<br />
Inglaterra<br />
Evolução da Cogeração <strong>em</strong> Países da Europa 1999 - 2010<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Meta Evolução Atual<br />
Figura 1.3 – Evolução da cogeração <strong>em</strong> países da Europa 1999-2010<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> COGEN-SP (2004)<br />
Elliott e Spurr (1999) dividiram o mercado <strong>de</strong> cogeração e trigeração nas seguintes<br />
categorias:<br />
• Sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> energia distrital;<br />
• Plantas industriais;<br />
• Sist<strong>em</strong>as terciários e resi<strong>de</strong>nciais <strong>de</strong> pequena escala.<br />
Colonna e Gabrielli (2002) <strong>de</strong>senvolveram um estudo <strong>de</strong> análise e comparação da<br />
recuperação <strong>de</strong> calor através <strong>de</strong> um programa computacional <strong>em</strong> vários níveis <strong>de</strong><br />
t<strong>em</strong>peratura para uma planta <strong>de</strong> trigeração. Este estudo <strong>de</strong>monstrou que a instalação <strong>de</strong>
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 6<br />
conjuntos <strong>de</strong> motores <strong>de</strong> combustão interna apresenta maiores vantagens para as<br />
condições pré-<strong>de</strong>finidas. Neste caso, a manutenção dos motores po<strong>de</strong> ser programada<br />
s<strong>em</strong> que haja uma interrupção na operação da planta e mesmo que a planta opere <strong>em</strong><br />
carga parcial, a eficiência global praticamente não é alterada.<br />
Cogeração e trigeração <strong>em</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> energia distrital<br />
O fornecimento <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>, vapor ou água a alta t<strong>em</strong>peratura visando o atendimento<br />
da <strong>de</strong>manda resi<strong>de</strong>ncial e comercial <strong>em</strong> distritos regionais através da utilização <strong>de</strong><br />
equipamentos CHP é comumente encontrado na Europa, Estados Unidos e Canadá.<br />
Devido à redução da <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> energia térmica durante o verão, os sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong><br />
geração distrital apresentavam baixo fator <strong>de</strong> utilização <strong>de</strong> potencial energético. O<br />
aproveitamento <strong>de</strong>ste potencial térmico ocorreu com o acoplamento <strong>de</strong> chillers <strong>de</strong><br />
absorção para a produção <strong>de</strong> água gelada para fins <strong>de</strong> climatização, por ex<strong>em</strong>plo.<br />
Silva (1994) elaborou uma avaliação da performance pelas Primeira e Segunda Leis da<br />
Termodinâmica <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> refrigeração por absorção <strong>de</strong> amônia para produção<br />
<strong>de</strong> gelo apresentando um COP <strong>de</strong> 0,36 e uma eficiência exergética <strong>de</strong> 10%, sendo as<br />
maiores irreversibilida<strong>de</strong>s ocasionadas pelo gerador, 28,8 %, trocador <strong>de</strong> calor, 22,5% e<br />
absorvedor com 12,2%.<br />
Segundo White e Knowles (1999), a eficiência <strong>de</strong> um equipamento CHP no inverno é<br />
<strong>de</strong> 75% e no verão, 45%.<br />
A adaptação do chiller ao sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> cogeração distrital é relativamente simples, mas é<br />
necessário utilizar um aditivo ao fluido <strong>de</strong> refrigeração Água-Brometo <strong>de</strong> Lítio. Isto<br />
ocorre porque a t<strong>em</strong>peratura da água requerida pelo chiller é <strong>de</strong> 120ºC e, normalmente,<br />
estes sist<strong>em</strong>as disponibilizam água entre 70 e 90ºC.<br />
Rantil (1999) estudou um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> refrigeração por absorção que trabalha com o<br />
aproveitamento do calor disponível do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> aquecimento distrital <strong>em</strong> Gotëmborg,<br />
Suécia, obtendo uma potência <strong>de</strong> refrigeração <strong>de</strong> 1,15 MW, com eficiência térmica<br />
reduzida <strong>em</strong> 45 % do que seria obtida se a mesma operasse com vapor a 120ºC.<br />
Larminat (2000) estudou a expansão da aplicação da amônia <strong>em</strong> processos <strong>de</strong><br />
refrigeração por absorção, relacionando as vantagens e <strong>de</strong>svantagens do seu uso, os<br />
equipamentos e materiais <strong>de</strong> construção mecânica a<strong>de</strong>quados à sua operação e a
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 7<br />
tendência do nor<strong>de</strong>ste europeu <strong>em</strong> aplicá-la na refrigeração <strong>de</strong> instalações comerciais e<br />
industriais com potência requerida <strong>de</strong> refrigeração entre 50 e 2.000 kW. Este estudo<br />
v<strong>em</strong> aten<strong>de</strong>r as expectativas <strong>de</strong> ambientalistas e os interesses da socieda<strong>de</strong> por se tratar<br />
<strong>de</strong> um fluido refrigerante “natural” e não prejudicial à camada <strong>de</strong> ozônio, como são os<br />
hidroclorofluorcarbonetos (incluindo o R-22).<br />
Cogeração e trigeração nas indústrias<br />
Sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração e trigeração utilizando gás natural como combustível vêm sendo<br />
instalados no Brasil e as indústrias <strong>de</strong> bebidas são as pioneiras no <strong>em</strong>prego <strong>de</strong>stas<br />
tecnologias. A Tabela 1.1 apresenta os dados <strong>de</strong> alguns sist<strong>em</strong>as que foram instalados<br />
nos Estados do Rio <strong>de</strong> Janeiro e São Paulo.<br />
Tabela 1.1 - Alguns sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração e trigeração instalados no Brasil<br />
Indústria Cida<strong>de</strong> Equipamentos Utilizadas produzidas<br />
Ambev Rio <strong>de</strong> Janeiro<br />
Coca-Cola Jundiaí<br />
Coca-Cola Rio <strong>de</strong> Janeiro<br />
O Globo Rio <strong>de</strong> Janeiro<br />
Projac Rio <strong>de</strong> Janeiro<br />
Fonte: Cogerar (2004)<br />
Turbina a gás<br />
Eletricida<strong>de</strong> 13,5 MW<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação Vapor 175 ton/h<br />
Motor a gás<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção<br />
Motor a gás<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção<br />
Eletricida<strong>de</strong> 8 MW<br />
Vapor 6 ton/h<br />
Refrigeração 1.000 TR *<br />
Água quente 9 MW<br />
CO2 80 ton/dia<br />
Eletricida<strong>de</strong> 4,8 MW<br />
Vapor 3,6 ton/h<br />
Refrigeração 800 TR<br />
Água quente 4 MW<br />
Motor a gás<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
Eletricida<strong>de</strong> 5,4 MW<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção Refrigeração 1.500 TR<br />
Motor a gás<br />
Eletricida<strong>de</strong> 4,8 MW<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação Refrigeração 1.000 TR<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção Água quente 2 MW
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 8<br />
Bassols et al. (2000) <strong>de</strong>screveram a necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> utilização <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
refrigeração por absorção <strong>de</strong> amônia para garantir a<strong>de</strong>quação do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> cogeração<br />
na indústria alimentícia, on<strong>de</strong> os potenciais elétrico e térmico dos sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração<br />
não são utilizados simultaneamente. As indústrias citadas estão <strong>em</strong> países europeus e<br />
produz<strong>em</strong> vegetais congelados, margarina, carne congelada e laticínio.<br />
Outra forma <strong>de</strong> trigeração foi apresentada <strong>em</strong> estudo realizado por Alves (2002), que<br />
objetivou avaliar a possibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> produção simultânea <strong>de</strong> energia elétrica, vapor para<br />
processo e gás <strong>de</strong> síntese, matéria-prima para a produção <strong>de</strong> insumos químicos, obtendo<br />
uma eficiência termodinâmica <strong>de</strong> 46,8%. Este sist<strong>em</strong>a é composto por uma turbina a gás<br />
com recuperação química e caracteriza-se pela existência <strong>de</strong> um reformador, que t<strong>em</strong> a<br />
função <strong>de</strong> produzir, através da troca <strong>de</strong> calor entre os gases que sa<strong>em</strong> da turbina e uma<br />
mistura gás natural e vapor <strong>de</strong> água, o gás <strong>de</strong> síntese. Após a troca térmica, esta mistura<br />
transforma-se no gás <strong>de</strong> síntese po<strong>de</strong>ndo ser queimada na câmara <strong>de</strong> combustão,<br />
produzindo eletricida<strong>de</strong> ou sendo utilizada na produção <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivados químicos, como<br />
ex<strong>em</strong>plo: hidrogênio, metanol, acetileno e etc.<br />
Cogeração e trigeração no setor terciário<br />
O setor terciário é o que proporciona maiores condições para implantação <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as<br />
<strong>de</strong> cogeração e trigeração <strong>de</strong>vido à <strong>de</strong>manda das potências elétrica e térmica. Ex<strong>em</strong>plos<br />
<strong>de</strong> aplicações são encontrados, principalmente, <strong>em</strong> hospitais, shopping centers, hotéis,<br />
universida<strong>de</strong>s e aeroportos. No Brasil, os primeiros ex<strong>em</strong>plos foram os Shoppings Ilha<br />
Plaza e Norte, ambos na cida<strong>de</strong> do Rio <strong>de</strong> Janeiro. No Ilha Plaza, o sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
cogeração produz 900 kW através <strong>de</strong> uma turbina a gás e 1200 Toneladas <strong>de</strong><br />
Refrigeração. O sist<strong>em</strong>a do Norte Plaza é bastante similar e produz 1 MW <strong>de</strong><br />
eletricida<strong>de</strong> e 800 TR.<br />
O Instituto Australiano <strong>de</strong> Energia (1999) <strong>de</strong>senvolveu e impl<strong>em</strong>entou um projeto <strong>de</strong><br />
instalação <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração na Universida<strong>de</strong> Oeste <strong>de</strong> Sydney para o<br />
atendimento da <strong>de</strong>manda elétrica <strong>de</strong> 680 kW, <strong>de</strong> água quente para banheiros e<br />
aquecimento <strong>de</strong> ambientes e, <strong>de</strong> água gelada para o sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> ar condicionado e<br />
refrigeração <strong>de</strong> máquinas. Neste sist<strong>em</strong>a, as energias são obtidas através <strong>de</strong> um motor a<br />
gás <strong>de</strong> 1 MW, uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor <strong>de</strong> 1,54 MW e um chiller <strong>de</strong><br />
absorção <strong>de</strong> 1 MW, sendo disponível uma cal<strong>de</strong>ira auxiliar e um chiller <strong>de</strong> compressão<br />
<strong>de</strong> 1 MW que fornece água gelada para o sist<strong>em</strong>a interligado local nos períodos fora do
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 9<br />
pico <strong>de</strong> consumo da universida<strong>de</strong>. A recuperação térmica é obtida <strong>em</strong> duas etapas sendo<br />
660 kW pelos gases <strong>de</strong> exaustão e 877 kW pela água do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> arrefecimento do<br />
motor. O motor consome 11,5 GJ/h <strong>de</strong> gás natural e nas condições <strong>de</strong> carga máxima o<br />
sist<strong>em</strong>a t<strong>em</strong> uma eficiência estimada <strong>de</strong> 80 %. Este projeto prevê, para 20 anos <strong>de</strong><br />
utilização, uma redução <strong>de</strong> 110.000 toneladas <strong>de</strong> <strong>em</strong>issão <strong>de</strong> CO2 pela substituição do<br />
carvão mineral e sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> aquecimento e resfriamento convencionais. Uma redução<br />
anual <strong>de</strong> 25% do custo <strong>de</strong> geração foi obtida, com t<strong>em</strong>po estimado <strong>de</strong> retorno do<br />
investimento <strong>de</strong> 11 anos.<br />
Dharmadhikari (1999) apresentou dados sobre um projeto inovador <strong>de</strong> trigeração<br />
instalado no Parque Expo 98 <strong>em</strong> Lisboa, Portugal. O sist<strong>em</strong>a foi instalado <strong>em</strong> março <strong>de</strong><br />
1998 e atualmente o espaço é <strong>de</strong>stinado a um centro comercial. O sist<strong>em</strong>a consiste <strong>de</strong><br />
uma turbina a gás, uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor, dois chillers <strong>de</strong> absorção, dois<br />
chillers <strong>de</strong> compressão e fornece água aquecida a 100ºC e água gelada a 4ºC com um<br />
comprimento total <strong>de</strong> tubulação <strong>de</strong> 45 km.<br />
Santana e Torres (2002) avaliaram a eficiência térmica <strong>em</strong> um ciclo <strong>de</strong> cogeração<br />
aplicado a um centro comercial <strong>em</strong> Salvador, tendo como fundamentação os conceitos<br />
da conservação e da disponibilida<strong>de</strong> da energia. Para a aplicação proposta, o sist<strong>em</strong>a<br />
opera com motores a gás, chillers <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong> simples e duplo efeito e chiller <strong>de</strong><br />
compressão para auxílio na climatização do centro. O projeto foi elaborado para aten<strong>de</strong>r<br />
a <strong>de</strong>manda térmica <strong>de</strong> 6,4 MW, com produção <strong>de</strong> 8,3 MW <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>, sendo 1,3<br />
MW <strong>de</strong>stinados ao consumo pelo motor do chiller <strong>de</strong> compressão. A eficiência<br />
apresentada pela Primeira Lei foi <strong>de</strong> 47 %.<br />
Morales (2004) <strong>de</strong>screveu um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração que foi recent<strong>em</strong>ente instalado no<br />
aeroporto internacional <strong>de</strong> Barajas, <strong>em</strong> Madrid, pela Sampol Ingenieria y Obras S/A<br />
(Produtor In<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> Energia) e a Wärtisilä (Fabricante <strong>de</strong> motores).<br />
O sist<strong>em</strong>a é constituído por 6 motores alternativos bi-combustível que opera com gás<br />
natural ou óleo combustível leve totalizando 33 MW, um circuito composto por<br />
cal<strong>de</strong>iras <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor e cal<strong>de</strong>iras <strong>de</strong> queima direta, que fornece água à 120ºC<br />
para 6 chillers <strong>de</strong> absorção Li-Br <strong>de</strong> simples estágio. O aeroporto possui uma área <strong>de</strong><br />
760.000 m 2 e todas as <strong>de</strong>pendências são climatizadas por este sist<strong>em</strong>a. A água gelada,<br />
que fica entre 6,5 e 13,5ºC, é canalizada para consumidores fora do aeroporto e a<br />
eficiência total do sist<strong>em</strong>a é da or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> 74%.
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 10<br />
1.5 Escopo do Trabalho<br />
O presente trabalho é composto por seis capítulos e propõe o <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> uma<br />
metodologia <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho termodinâmico <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as trigeração. Esta<br />
metodologia foi aplicada a uma simulação <strong>de</strong> uma planta básica <strong>de</strong> trigeração para o<br />
Hospital João XXIII, composta por turbina a gás, cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação e chiller <strong>de</strong><br />
absorção sendo esta configuração, posteriormente, submetida à análise econômica <strong>de</strong><br />
retorno do investimento.<br />
No <strong>Capítulo</strong> 2, apresenta-se a caracterização do gás natural, b<strong>em</strong> como uma visão atual<br />
do cenário nacional e mundial das re<strong>de</strong>s <strong>de</strong> distribuição do mesmo. Na seqüência, é<br />
discutida a eficiência pela Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica para os<br />
equipamentos térmicos usualmente aplicados na trigeração com informações relevantes<br />
sobre plantas já instaladas no Brasil e no mundo, além da análise econômica.<br />
No <strong>Capítulo</strong> 3, são <strong>de</strong>senvolvidas as etapas <strong>de</strong> estruturação da metodologia que avalia o<br />
<strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho energético e exergético dos sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração através <strong>de</strong> um programa<br />
computacional, assim como a análise econômica proposta.<br />
No <strong>Capítulo</strong> 4, apresentam-se os fluxogramas do programa computacional <strong>de</strong>senvolvido<br />
para a automatização da metodologia criada.<br />
No <strong>Capítulo</strong> 5 é apresentado um estudo <strong>de</strong> caso para validação da metodologia<br />
<strong>de</strong>senvolvida, com a i<strong>de</strong>ntificação dos fatores significativos nos resultados finais e a<br />
análise <strong>de</strong> sensibilida<strong>de</strong>.<br />
As conclusões <strong>de</strong>ste trabalho constam no <strong>Capítulo</strong> 6.<br />
1.6 Relevância do T<strong>em</strong>a<br />
O gás natural é hoje e ten<strong>de</strong> a ser nas próximas décadas uma das mais importantes<br />
fontes <strong>de</strong> energia, por seu alto teor energético, menor índices <strong>de</strong> poluição, quando<br />
comparado aos outros combustíveis fósseis, e, também, pela enorme quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
jazidas existentes no mundo.<br />
O Brasil possui uma infra-estrutura <strong>de</strong>ficitária <strong>em</strong> relação à produção <strong>de</strong> energia<br />
elétrica, sendo esta, um dos fatores prepon<strong>de</strong>rantes no impedimento do <strong>de</strong>senvolvimento<br />
econômico nacional. As técnicas <strong>de</strong> trigeração estão se tornando comuns <strong>de</strong>vido às suas
<strong>Capítulo</strong> 1 – Introdução 11<br />
vantagens peculiares que vão além das características da cogeração. Os sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong><br />
trigeração aumentam a eficiência total da planta e reduz<strong>em</strong> a <strong>em</strong>issão <strong>de</strong> CO2.
<strong>Capítulo</strong> 2<br />
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA<br />
Neste capítulo, é apresentado um panorama sobre a situação do gás natural no Brasil,<br />
incluindo alguns ex<strong>em</strong>plos <strong>de</strong> instalações <strong>de</strong> trigeração que o utilizam como<br />
combustível. Os conceitos básicos, as equações e <strong>de</strong>duções pelas Primeira e Segunda<br />
Leis da Termodinâmica dos principais equipamentos que constitu<strong>em</strong> um ciclo <strong>de</strong><br />
trigeração, como a turbina ou o motor a gás, a cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação e o chiller <strong>de</strong><br />
absorção são também discutidos.<br />
2.1 Gás Natural<br />
O gás natural é um combustível fóssil encontrado <strong>em</strong> rochas porosas no subsolo,<br />
po<strong>de</strong>ndo estar associado ou não ao petróleo. Sua produção resulta do acúmulo <strong>de</strong><br />
energia solar sobre matérias orgânicas soterradas <strong>em</strong> gran<strong>de</strong>s profundida<strong>de</strong>s, <strong>de</strong>vido ao<br />
processo <strong>de</strong> acomodação da crosta terrestre. O gás natural é constituído por traços <strong>de</strong><br />
gases inorgânicos e hidrocarbonetos saturados, predominando o metano e, <strong>em</strong> menores<br />
quantida<strong>de</strong>s, o propano, o butano, entre outros.<br />
Coelho (2001) relacionou as vantagens da utilização do gás natural, <strong>de</strong>stacando-se:<br />
• A disponibilida<strong>de</strong> ampla, crescente e dispersa;<br />
• A combustão limpa;<br />
• O elevado rendimento energético;<br />
• A baixa presença <strong>de</strong> contaminantes.<br />
12
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 13<br />
O aumento da <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong> nos países industrializados e o gran<strong>de</strong> número <strong>de</strong><br />
bacias <strong>de</strong> gás natural no mundo têm propiciado um acréscimo <strong>de</strong> plantas <strong>de</strong> cogeração e<br />
trigeração na matriz energética mundial.<br />
Marques (2003) apresentou dados relatando que no Brasil, 83,4 % dos 82.698 MW <strong>de</strong><br />
eletricida<strong>de</strong> produzida são sustentados pelas hidrelétricas tornando o sist<strong>em</strong>a bastante<br />
vulnerável. A utilização do gás natural como insumo energético t<strong>em</strong> se mostrado <strong>de</strong><br />
extr<strong>em</strong>a importância para diminuir riscos <strong>de</strong> falta <strong>de</strong> energia, probl<strong>em</strong>a pelo qual o<br />
Brasil passou <strong>em</strong> 2001. Tal importância é <strong>de</strong>monstrada <strong>em</strong> programas do governo<br />
fe<strong>de</strong>ral que visam aumentar a participação do gás natural no cenário energético nacional<br />
para 12% <strong>em</strong> 2010. O investimento na construção <strong>de</strong> uma infra-estrutura para aumentar<br />
a oferta <strong>de</strong> gás natural no Brasil é visto como uma saída para eliminação <strong>de</strong>sses riscos.<br />
Atualmente, 5,5% (4.085 MW) da geração <strong>de</strong> energia brasileira têm o gás natural como<br />
insumo, sendo este proveniente <strong>de</strong> jazidas nacionais e <strong>de</strong> importação da Bolívia.<br />
2.2 Método da Disponibilida<strong>de</strong> e Conversão da Energia<br />
A utilização eficiente dos combustíveis aumenta a disponibilida<strong>de</strong> para uso futuro e<br />
diminui os impactos ambientais. A redução do consumo <strong>de</strong> combustível com a obtenção<br />
do mesmo resultado, ou seja, a mesma produção <strong>de</strong> energia, t<strong>em</strong> sido foco constante <strong>de</strong><br />
estudos. O impacto ambiental causado <strong>de</strong>vido à conversão energética <strong>de</strong>ve ser levado<br />
<strong>em</strong> consi<strong>de</strong>ração durante o pré-projeto <strong>de</strong> implantação do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> geração. A análise<br />
da eficiência térmica <strong>em</strong> todos os processos <strong>de</strong> conversão <strong>de</strong> energia é elaborada com a<br />
Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.<br />
A Primeira Lei da Termodinâmica se refere à conservação da energia, enquanto a<br />
Segunda Lei t<strong>em</strong> como objetivo quantificar a qualida<strong>de</strong> da energia.<br />
A Segunda Lei da Termodinâmica é a base do conceito da disponibilida<strong>de</strong> ou exergia.<br />
Segundo Kotas (1995), a análise da exergia <strong>de</strong> diferentes formas <strong>de</strong> energia utilizadas<br />
<strong>em</strong> balanços energéticos <strong>de</strong> plantas térmicas e químicas indica o trabalho máximo que<br />
po<strong>de</strong> ser obtido <strong>em</strong> um processo utilizando o estado da vizinhança (ambiente) como<br />
referência.
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 14<br />
Neste estudo, são apresentadas as equações básicas <strong>de</strong> <strong>de</strong>finição do conceito <strong>de</strong><br />
disponibilida<strong>de</strong>. A análise pelas Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica <strong>de</strong> cada<br />
componente do ciclo <strong>de</strong> trigeração é abordada separadamente para cada equipamento.<br />
A disponibilida<strong>de</strong> é <strong>de</strong>finida como o potencial que uma substância t<strong>em</strong> para realizar<br />
trabalho. Assim, o método da disponibilida<strong>de</strong> consiste <strong>em</strong> avaliar o trabalho potencial<br />
<strong>de</strong> uma substância <strong>em</strong> um processo <strong>de</strong> conversão energética tendo como fundamentação<br />
as Leis da Termodinâmica.<br />
Para aplicação do método da disponibilida<strong>de</strong> três formas <strong>de</strong> trabalho são utilizadas, a<br />
saber:<br />
Trabalho reversível (wrev) – A Figura 2.1 representa um sist<strong>em</strong>a cilindro-êmbolo no<br />
qual gás está contido sob a ação <strong>de</strong> uma força externa, o peso do êmbolo. O sist<strong>em</strong>a é<br />
mantido <strong>em</strong> equilíbrio. Ao se retirar um dos pesos ocorre uma expansão, (dL) e um<br />
trabalho é realizado pelo movimento da fronteira. Colocando-se o peso novamente o<br />
sist<strong>em</strong>a volta ao seu estado inicial. Por ter uma variação infinitesimal <strong>de</strong> volume, com<br />
conseqüente realização <strong>em</strong> um t<strong>em</strong>po infinito, este é um processo internamente<br />
reversível, também conhecido como processo quase-estático (Wylen et al., 1995).<br />
Figura 2.1 – Trabalho reversível<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Wylen et al., (1995)<br />
δ W = pAdL<br />
(2.1)<br />
δ w = pdv<br />
(2.2)<br />
= ∫<br />
2<br />
1 pdv<br />
w rev (2.3)<br />
Há uma <strong>de</strong>pendência entre a forma com que o calor é transferido <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a para o<br />
meio e a <strong>de</strong>finição <strong>de</strong> um processo externamente irreversível. Se o processo <strong>de</strong>
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 15<br />
transferência <strong>de</strong> calor ocorre com uma diferença finita <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura, este processo é<br />
dito externamente irreversível. Para que um processo <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor seja<br />
externamente reversível é preciso que este aconteça com uma diferença infinitesimal <strong>de</strong><br />
t<strong>em</strong>peratura. Neste caso, a duração do processo e a área <strong>de</strong> troca <strong>de</strong> calor são infinitas.<br />
A fim <strong>de</strong> tornar um processo <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor completamente reversível <strong>de</strong>ve se<br />
instalar uma máquina <strong>de</strong> Carnot entre a fonte <strong>de</strong> alta e a <strong>de</strong> baixa t<strong>em</strong>peratura, pois toda<br />
máquina <strong>de</strong> Carnot é um equipamento reversível. Como as máquinas <strong>de</strong> Carnot são<br />
i<strong>de</strong>alizações, o trabalho reversível representa o trabalho que i<strong>de</strong>almente po<strong>de</strong>ria ser<br />
obtido ao se instalar a máquina <strong>de</strong> Carnot entre as duas fontes, mas que na realida<strong>de</strong> não<br />
é produzido no processo (Li 1996).<br />
Trabalho disponível (wdisp) – É o trabalho <strong>de</strong> um processo interna e externamente<br />
reversível. O trabalho disponível é o mais crítico e importante no <strong>de</strong>senvolvimento do<br />
método da disponibilida<strong>de</strong>. A Primeira Lei da Termodinâmica aplicada a um volume <strong>de</strong><br />
controle <strong>em</strong> regime permanente é escrita na forma (Li, 1996):<br />
V<br />
V<br />
( ) − Q<br />
2<br />
2<br />
⋅<br />
.<br />
2<br />
.<br />
2<br />
e<br />
s<br />
W disp = m e he<br />
+ + gz e ) − ms<br />
( hs<br />
+ + gz s<br />
sendo, W disp<br />
⋅<br />
a potência disponível;<br />
.<br />
m a vazão mássica;<br />
h a entalpia específica do fluido;<br />
V a velocida<strong>de</strong> do fluido;<br />
g a aceleração da gravida<strong>de</strong>;<br />
Z altura <strong>em</strong> relação ao nível <strong>de</strong> referência;<br />
.<br />
Q a taxa <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor.<br />
.<br />
0<br />
(2.4)<br />
O índice (e) significa a entrada do fluido no volume <strong>de</strong> controle, (s) significa a saída,<br />
enquanto que o índice (0) significa vizinhança.<br />
Da mesma forma a Segunda Lei da Termodinâmica para um processo <strong>em</strong> regime<br />
permanente é dada por Li (1996):
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 16<br />
∑<br />
Sendo, s a entropia específica do fluido;<br />
e<br />
.<br />
.<br />
. Q .<br />
0<br />
m e se<br />
− ∑ m s s s + ∑ + σ = 0<br />
(2.5)<br />
T<br />
s<br />
0 0<br />
.<br />
σ a produção <strong>de</strong> entropia causada pela presença <strong>de</strong> irreversibilida<strong>de</strong> interna<br />
<strong>de</strong>ntro do volume <strong>de</strong> controle;<br />
.<br />
0<br />
∑<br />
0 T0<br />
Q a representação da variação da entropia <strong>de</strong>vido à taxa <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong><br />
calor na superfície do volume <strong>de</strong> controle.<br />
Para processos internamente reversíveis, on<strong>de</strong> não há a produção <strong>de</strong> entropia, a Equação<br />
(2.5) se reduz a:<br />
.<br />
. Q0<br />
e se<br />
− ms<br />
s − = 0<br />
(2.6)<br />
T<br />
.<br />
m s<br />
on<strong>de</strong> T0 correspon<strong>de</strong> à t<strong>em</strong>peratura absoluta do ambiente.<br />
Combinando estas equações, t<strong>em</strong>-se a equação do trabalho disponível por unida<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
massa:<br />
.<br />
0<br />
2 2<br />
Wdisp<br />
Ve<br />
Vs<br />
wdisp = = ( h ) 0 ( ) ( ) ( ) ( )<br />
. e − hs<br />
− T se<br />
− ss<br />
+ − + g ze<br />
− zs<br />
(2.7)<br />
m<br />
2 2<br />
Quando as variações das energias potencial e cinética são <strong>de</strong>sprezíveis, o que é verda<strong>de</strong><br />
nas aplicações práticas, a Equação (2.7) se torna:<br />
w = h −h<br />
) −T<br />
( s −s<br />
)<br />
(2.8)<br />
disp<br />
( e s 0 e s<br />
Energia não-disponível – Esse termo correspon<strong>de</strong> à diferença entre o trabalho<br />
disponível e o trabalho real, ou seja, à perda da capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> realizar trabalho <strong>de</strong>vido<br />
às irreversibilida<strong>de</strong>s interna e externa ao sist<strong>em</strong>a.<br />
Equações da disponibilida<strong>de</strong><br />
O trabalho disponível representa o trabalho esperado <strong>em</strong> um processo i<strong>de</strong>al, ou seja,<br />
interna e externamente reversíveis. Numericamente o trabalho disponível é o máximo <strong>de</strong>
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 17<br />
trabalho que po<strong>de</strong> ser extraído <strong>de</strong> uma substância que sofre um processo. Para uma<br />
substância que entra <strong>em</strong> um volume <strong>de</strong> controle no estado 1 e o <strong>de</strong>ixa no estado 2, sob<br />
regime permanente, o máximo trabalho que po<strong>de</strong> ser alcançado é dado pela<br />
Equação (2.9), Li (1996):<br />
w disp<br />
= h −h<br />
) −T<br />
( s − s )<br />
(2.9)<br />
( 1 2 0 1 2<br />
Quando as condições <strong>de</strong> saída do fluido são idênticas às condições ambientais, o<br />
trabalho disponível entre o estado 1 e o ambiente representa o trabalho potencial da<br />
substância no estado 1. Desta forma o trabalho potencial <strong>de</strong> uma substância <strong>em</strong> qualquer<br />
estado é <strong>de</strong>finido como disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> uma substância, que é dada por, Li (1996):<br />
a = h − h ) −T<br />
( s − s )<br />
(2.10)<br />
f<br />
( o 0 o<br />
on<strong>de</strong> af é a disponibilida<strong>de</strong> para um volume <strong>de</strong> controle.<br />
A associação do trabalho potencial ao conceito da disponibilida<strong>de</strong> é útil porque se um<br />
sist<strong>em</strong>a recebe trabalho da vizinhança, através <strong>de</strong>sta interação, o sist<strong>em</strong>a terá seu<br />
trabalho potencial aumentado e, portanto a sua disponibilida<strong>de</strong> também aumentará.<br />
Desta forma, todo o trabalho recebido po<strong>de</strong> ser teoricamente convertido <strong>em</strong> potencial<br />
pelo sist<strong>em</strong>a. Assim a disponibilida<strong>de</strong> associada com a transferência <strong>de</strong> trabalho é dada<br />
por Li (1996):<br />
on<strong>de</strong>, aw é a disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> trabalho;<br />
a = − w<br />
(2.11)<br />
wreal é o trabalho real realizado ou absorvido pelo sist<strong>em</strong>a.<br />
w<br />
O sinal negativo significa que o trabalho é positivo quando produzido pelo sist<strong>em</strong>a e<br />
negativo quando absorvido. Em outras palavras, o sist<strong>em</strong>a terá uma mudança na<br />
disponibilida<strong>de</strong> quando houver interação <strong>de</strong> trabalho com a vizinhança.<br />
Da mesma forma, a transferência <strong>de</strong> calor entre o sist<strong>em</strong>a e o meio terá influência na<br />
disponibilida<strong>de</strong> do sist<strong>em</strong>a. Se um sist<strong>em</strong>a interage com o meio ce<strong>de</strong>ndo calor, uma<br />
diminuição da disponibilida<strong>de</strong> é observada. Porém, esta redução do trabalho potencial<br />
não é <strong>em</strong> igual gran<strong>de</strong>za, pois n<strong>em</strong> toda a energia térmica po<strong>de</strong> ser transformada <strong>em</strong><br />
real
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 18<br />
trabalho. A mudança <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong>vido à troca <strong>de</strong> calor com o ambiente é dada<br />
por Li (1996):<br />
on<strong>de</strong>, δaq é a mudança <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> do sist<strong>em</strong>a;<br />
δ q é a troca <strong>de</strong> calor do sist<strong>em</strong>a com o ambiente.<br />
⎛ T0<br />
⎞<br />
δ aq = ⎜1−<br />
⎟⎠ . δ q<br />
(2.12)<br />
⎝ T<br />
O termo entre parêntesis correspon<strong>de</strong> à eficiência <strong>de</strong> uma máquina <strong>de</strong> Carnot que opera<br />
entre T e T0.<br />
E, para qualquer processo entre dois estados termodinâmicos, por:<br />
⎛ T ⎞<br />
1 − ⎟ (2.13)<br />
⎝ T ⎠<br />
2<br />
o<br />
aq = ∫ ⎜ δ q<br />
1<br />
sendo a q, a disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> calor.<br />
O balanço <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> para um volume <strong>de</strong> controle é representado na forma,<br />
Li (1996):<br />
A2 – A1 = Aq + Aw + Afe – Afs – I (2.14)<br />
.<br />
sendo, A 1 = m1 . a1<br />
A =<br />
2<br />
.<br />
m 2 . a2<br />
T<br />
Aq = ∑ − δ<br />
.<br />
Aw = −W<br />
cv<br />
.<br />
0<br />
( 1 ) Q j<br />
j T j<br />
+ P<br />
.<br />
= e<br />
Af e ∑ ∆ m e . af<br />
.<br />
= s<br />
Af s ∑ ∆ m s . af<br />
T I =<br />
.<br />
0 .σ<br />
0 ( V2<br />
1<br />
−V<br />
)
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 19<br />
Os seus termos significam:<br />
A2 – A1: mudança da taxa <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> do fluido no volume <strong>de</strong> controle;<br />
Aq: disponibilida<strong>de</strong> referente à transferência <strong>de</strong> calor entre o volume <strong>de</strong> controle e o<br />
meio;<br />
Aw: disponibilida<strong>de</strong> referente à transferência <strong>de</strong> trabalho;<br />
Afe e Afs: disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> fluxo na entrada e saída do volume <strong>de</strong> controle;<br />
I: perda <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> no processo <strong>de</strong>vido às irreversibilida<strong>de</strong>s internas.<br />
Para regime permanente e escoamento uniforme, não há mudança da disponibilida<strong>de</strong><br />
associada ao sist<strong>em</strong>a no volume <strong>de</strong> controle, e a Equação (2.14) fica reduzida a:<br />
Aq + Aw + Afe – Afs = I (2.15)<br />
As Equações (2.14) e (2.15) indicam que a disponibilida<strong>de</strong>, diferent<strong>em</strong>ente da energia,<br />
não se conserva. Em um processo real, alguma disponibilida<strong>de</strong> será <strong>de</strong>struída. Quando a<br />
<strong>de</strong>struição da disponibilida<strong>de</strong> é levada <strong>em</strong> conta, a Equação (2.15) torna-se o balanço <strong>de</strong><br />
disponibilida<strong>de</strong>, ou seja, o fluxo <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> para <strong>de</strong>ntro e para fora do volume <strong>de</strong><br />
controle <strong>de</strong>ve ser igual à variação da disponibilida<strong>de</strong> por calor e trabalho mais a<br />
<strong>de</strong>struição <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> no interior do volume <strong>de</strong> controle.<br />
2.3 Equipamentos e Ciclos Termodinâmicos Típicos para Cogeração e Trigeração<br />
Nessa seção, serão discutidos os fundamentos termodinâmicos dos equipamentos<br />
básicos com seus respectivos ciclos termodinâmicos utilizados nos ciclos <strong>de</strong> cogeração<br />
e trigeração.<br />
2.3.1 Turbina a Gás<br />
A utilização <strong>de</strong> turbinas a gás <strong>em</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> cogeração e trigeração aten<strong>de</strong> <strong>em</strong> gran<strong>de</strong><br />
parte às aplicações industriais, instalações distritais e setor terciário. As turbinas a gás<br />
apresentam rendimento térmico entre 15 e 35 % (Gas Turbine World Handbook,<br />
2000-2001).
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 20<br />
Os ciclos <strong>de</strong> cogeração e trigeração que as utilizam como fonte motriz aliam o elevado<br />
índice <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> energética existente nos gases da exaustão às necessida<strong>de</strong>s<br />
econômicas e ambientais <strong>de</strong> se obter melhores eficiências.<br />
As Figuras 2.2 e 2.3 representam o Ciclo-padrão <strong>de</strong> ar Brayton para turbina a gás. Para<br />
sua análise termodinâmica, são feitas as seguintes consi<strong>de</strong>rações:<br />
• A substância <strong>de</strong> trabalho é tratada como ar <strong>de</strong> composição fixa. O ar é um gás<br />
i<strong>de</strong>al e t<strong>em</strong> calor específico constante;<br />
• O processo <strong>de</strong> combustão é substituído por um processo à pressão constante <strong>em</strong><br />
que calor é transferido <strong>de</strong> uma fonte externa. A vazão mássica permanece<br />
inalterada;<br />
• Os processos <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong> ar e <strong>de</strong> exaustão <strong>de</strong> gases são substituídos por<br />
processos <strong>de</strong> transferência <strong>de</strong> calor à pressão constante. Desta forma, o ciclo é<br />
completado;<br />
• Todos os processos são internamente reversíveis.<br />
P<br />
1<br />
2 3<br />
1 4<br />
v<br />
v<br />
Figura 2.2 – Ciclo-padrão <strong>de</strong> ar Brayton para turbina a gás<br />
Compressor<br />
Combustível<br />
T<br />
Câmara <strong>de</strong><br />
combustão<br />
W .<br />
Comp<br />
(a) Ciclo aberto<br />
2<br />
1<br />
Turbina<br />
.<br />
W<br />
Liq<br />
Ar Gases<br />
3<br />
4<br />
s
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 21<br />
(b) Ciclo fechado<br />
Figura 2.3 – Turbina a gás que opera segundo um ciclo Brayton<br />
O princípio básico <strong>de</strong> funcionamento <strong>de</strong> uma turbina a gás consiste na admissão <strong>de</strong> ar<br />
ambiente pelo compressor on<strong>de</strong> ocorre aumento <strong>de</strong> sua pressão e t<strong>em</strong>peratura,<br />
(processo 1-2). Em seguida, o ar comprimido é misturado ao combustível <strong>em</strong> uma<br />
câmara, on<strong>de</strong> é promovida sua combustão (processo 2-3). Os gases que <strong>de</strong>ixam a<br />
câmara <strong>de</strong> combustão a alta pressão e t<strong>em</strong>peratura são expandidos na turbina até a<br />
pressão atmosférica, realizando trabalho (processo 3-4).<br />
Saad (1997) relata que a potência requerida pelo compressor varia entre 40 a 80 % da<br />
potência produzida pela turbina. Um alternador acoplado ao eixo da turbina produz<br />
eletricida<strong>de</strong> e a energia térmica dos gases <strong>de</strong> exaustão po<strong>de</strong> ser recuperada por uma<br />
cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor sensível. Os gases <strong>de</strong> escape <strong>de</strong>ixam a turbina com<br />
t<strong>em</strong>peratura entre 450 e 600 ºC.<br />
A avaliação da eficiência térmica pela Primeira Lei da Termodinâmica para o ciclo<br />
Brayton é dada por Li (1996):<br />
ou<br />
Compressor<br />
.<br />
liq<br />
.<br />
W<br />
η tg =<br />
Q<br />
Trocador <strong>de</strong><br />
calor<br />
2 3<br />
h<br />
1<br />
c<br />
=<br />
p<br />
( T<br />
3<br />
− T2<br />
) − c p ( T<br />
c ( T − T )<br />
p<br />
p<br />
3<br />
2<br />
4<br />
− T )<br />
T1<br />
1<br />
ηtg<br />
= 1−<br />
= 1−<br />
(2.16)<br />
T ρ<br />
2<br />
QH<br />
Trocador <strong>de</strong><br />
calor<br />
QL<br />
Turbina<br />
4<br />
1<br />
.<br />
W<br />
Liq
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 22<br />
Esta equação evi<strong>de</strong>ncia que a eficiência térmica do ciclo Brayton é função da razão <strong>de</strong><br />
t<strong>em</strong>peratura isoentrópica no compressor, ρp.<br />
Um aumento da t<strong>em</strong>peratura na entrada da turbina eleva a eficiência do ciclo.<br />
Entretanto, limitações metalúrgicas fixam este limite entre 1.093 e 1.427ºC (Li, 1996).<br />
A eficiência pela Segunda Lei da Termodinâmica é apresentada por Li (1996) na forma:<br />
ε<br />
tg<br />
.<br />
W liq c p ( T3<br />
− T2<br />
) − c p ( T4<br />
− T1<br />
)<br />
= =<br />
A<br />
3<br />
q ⎛ T<br />
h o ⎞<br />
∫ ⎜1<br />
− ⎟. c p . dT<br />
2 ⎝ T ⎠<br />
Ou expressa <strong>em</strong> função da eficiência pela Primeira Lei,<br />
ε<br />
tg<br />
=<br />
T<br />
1 −<br />
T<br />
0<br />
1<br />
η tg<br />
ln( k1<br />
/ ρ p )<br />
k − ρ<br />
1<br />
p<br />
(2.17)<br />
On<strong>de</strong> k1 é a razão entre a t<strong>em</strong>peratura dos gases na entrada na turbina e a t<strong>em</strong>peratura do<br />
ar na entrada do compressor e T0/T1 é a t<strong>em</strong>peratura normalizada <strong>de</strong> referência.<br />
Outra forma <strong>de</strong> representar a eficiência pela Segunda Lei é pela razão entre a<br />
disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> trabalho (Aw), que representa o trabalho líquido<br />
produzido pela turbina e a disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> calor na câmara <strong>de</strong><br />
combustão (Acc).<br />
Tipos <strong>de</strong> turbinas a gás<br />
A<br />
w ε tg =<br />
(2.18)<br />
Acc<br />
A necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> se obter turbinas <strong>de</strong> baixo peso, pequeno volume, elevada potência e<br />
reduzido consumo <strong>de</strong> combustível fez da indústria <strong>de</strong> aeronaves a principal responsável<br />
pelos avanços nos projetos das turbinas a gás. Estas turbinas são conhecidas como<br />
turbinas aero<strong>de</strong>rivativas e, além <strong>de</strong>ssas características, po<strong>de</strong> ser citado ainda, a alta taxa<br />
<strong>de</strong> confiabilida<strong>de</strong> e custos <strong>de</strong> investimento e manutenção elevados.<br />
O outro tipo <strong>de</strong> turbina a gás existente é a industrial. As turbinas industriais foram<br />
<strong>de</strong>senvolvidas para aten<strong>de</strong>r aos requisitos das indústrias on<strong>de</strong> espaço e peso não são
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 23<br />
características prepon<strong>de</strong>rantes e, como conseqüência, apresentam custos menores que as<br />
aero<strong>de</strong>rivativas. As turbinas a gás do tipo industrial estão disponíveis com um único<br />
eixo no qual o compressor e a turbina são montados, e com eixo duplo, que possui o<br />
compressor e a turbina do compressor <strong>em</strong> um eixo e a turbina <strong>de</strong> potência <strong>em</strong> outro.<br />
Contudo é observada uma maior aplicação <strong>de</strong> turbinas com um único eixo <strong>em</strong> plantas <strong>de</strong><br />
cogeração (Dhamadhikari, 2000).<br />
As vantagens e <strong>de</strong>svantagens no <strong>em</strong>prego da turbina a gás estão relacionadas abaixo<br />
(Trig<strong>em</strong>ed, 2004):<br />
Vantagens da turbina a gás<br />
• Alta eficiência;<br />
• T<strong>em</strong>po <strong>de</strong> fabricação e instalação reduzidos;<br />
• Peso e volume reduzidos;<br />
• Resposta imediata às variações <strong>de</strong> carga;<br />
• T<strong>em</strong>peratura elevada dos gases <strong>de</strong> escape, favorecendo a cogeração;<br />
• Possibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> uso <strong>de</strong> gás natural.<br />
Desvantagens da turbina a gás<br />
• Necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> mão-<strong>de</strong>-obra especializada para operação;<br />
• Necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> pressões elevadas <strong>de</strong> gás natural;<br />
• Necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> combustível com ótima qualida<strong>de</strong>.<br />
As turbinas a gás po<strong>de</strong>m ser classificadas <strong>de</strong> acordo com a potência gerada<br />
Cogeneration and On Site Power, (2003):<br />
• Pequeno porte: até 15 MW;<br />
• Médio porte: entre 15 MW e 50 MW;<br />
• Gran<strong>de</strong> porte: acima <strong>de</strong> 50 MW.
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 24<br />
As aplicações <strong>de</strong> cogeração e trigeração utilizam turbinas <strong>em</strong> uma ampla faixa <strong>de</strong><br />
potência, variando entre 0,2 e 100 MW ou até mais.<br />
O <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho <strong>de</strong> uma turbina a gás é sensível às condições ambientais, b<strong>em</strong> como as<br />
condições <strong>de</strong> entrada <strong>de</strong> ar e combustível e <strong>de</strong> exaustão da mesma. Os sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong><br />
entrada <strong>de</strong> ar e exaustão são compostos por silenciadores, filtro na entrada e tubulações.<br />
O período <strong>de</strong> instalação <strong>de</strong> uma turbina a gás varia entre 9 e 24 meses e seu t<strong>em</strong>po <strong>de</strong><br />
vida útil estimado entre 15 e 20 anos (Trig<strong>em</strong>ed, 2004).<br />
Trigeração com turbina a gás<br />
A Figura 2.4 representa uma configuração básica <strong>de</strong> um processo <strong>de</strong> trigeração on<strong>de</strong> a<br />
turbina produz energia elétrica e seus gases residuais são utilizados na cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
recuperação para gerar vapor a baixa pressão. Parte <strong>de</strong>ste vapor é utilizada <strong>em</strong><br />
aplicações diversas na indústria, como vapor <strong>de</strong> processo, aquecimento <strong>de</strong> água <strong>em</strong><br />
refeitório e vestiário, e, parte é, posteriormente, utilizada <strong>em</strong> um chiller <strong>de</strong> absorção<br />
para geração <strong>de</strong> potência <strong>de</strong> refrigeração. O <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> um chiller <strong>de</strong> compressão é<br />
opcional no sist<strong>em</strong>a, e sua necessida<strong>de</strong> irá <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>r da carga <strong>de</strong> refrigeração<br />
requisitada.<br />
Combustível<br />
Turbina<br />
Gases <strong>de</strong><br />
exaustão<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
recuperação<br />
Eletricida<strong>de</strong><br />
Chiller <strong>de</strong><br />
absorção<br />
Vapor<br />
Figura 2.4 - Trigeração com turbina a gás<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Dharmadhikari (2000)<br />
Água gelada<br />
Vapor p/ processo
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 25<br />
2.3.2 Motor a Gás<br />
Os ciclos termodinâmicos para motores <strong>de</strong> combustão interna são conhecidos como<br />
Otto e Diesel. Em um motor <strong>de</strong> ciclo Otto, a combustão da mistura <strong>de</strong> ar e combustível<br />
é provocada por uma faísca externa. Para um motor <strong>de</strong> ciclo Diesel, o combustível é<br />
injetado na fase final do ciclo <strong>de</strong> compressão ocorrendo a ignição espontânea <strong>de</strong>vido a<br />
alta t<strong>em</strong>peratura do ar comprimido. Estes motores apresentam eficiência <strong>de</strong><br />
aproximadamente 35% e operam <strong>em</strong> ciclos <strong>de</strong> cogeração e trigeração <strong>em</strong> faixa <strong>de</strong><br />
potência elétrica entre 0,015 e 6 MW, sendo mais usualmente encontrados <strong>em</strong><br />
aplicações com potências <strong>de</strong> até 2 MW (Trig<strong>em</strong>ed, 2004).<br />
Nos motores <strong>de</strong> combustão interna, a energia mecânica é convertida <strong>em</strong> eletricida<strong>de</strong> e a<br />
energia térmica é disponibilizada através da água do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> arrefecimento, que<br />
atinge t<strong>em</strong>peraturas entre 90 e 120 ºC, e através dos gases <strong>de</strong> exaustão que ating<strong>em</strong><br />
t<strong>em</strong>peraturas entre 400 e 700ºC (Trig<strong>em</strong>ed, 2004).<br />
A Figura 2.5 representa o balanço térmico <strong>de</strong> um motor a gás padrão.<br />
36%<br />
Balanço Térmico<br />
26%<br />
4% 10%<br />
24%<br />
Perdas<br />
Comp. auxiliares<br />
Refrigeração<br />
Escape<br />
Potência elétrica<br />
Figura 2.5 – Balanço térmico <strong>de</strong> um motor a gás<br />
Fonte: GUASCOR (2000)<br />
Eficiência do ciclo Diesel pelas Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica<br />
Assim como no ciclo Brayton, para <strong>de</strong>terminação das eficiências, a substância <strong>de</strong><br />
trabalho para o ciclo Diesel é consi<strong>de</strong>rada como sendo ar.<br />
A Figura 2.6 <strong>de</strong>monstra as curvas <strong>de</strong> Pressão x Volume e T<strong>em</strong>peratura x Entropia do<br />
ciclo padrão-ar Diesel.<br />
Neste ciclo, o processo (1-2) é a compressão isoentrópica. O calor é transferido ao<br />
fluido <strong>de</strong> trabalho à pressão constante, processo (2-3). Este processo correspon<strong>de</strong> à<br />
injeção e queima do combustível no motor Diesel real. Como o gás expan<strong>de</strong> durante a
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 26<br />
transferência <strong>de</strong> calor no ciclo-padrão a ar, a transferência <strong>de</strong> calor <strong>de</strong>ve ser apenas o<br />
suficiente para manter a pressão. Quando se atinge o estado 3, a transferência <strong>de</strong> calor<br />
cessa e o gás sofre uma expansão isoentrópica (processo 3-4) até que o pistão atinja o<br />
ponto morto inferior. A rejeição <strong>de</strong> calor ocorre a volume constante e com o pistão no<br />
ponto morto inferior, processo (4-1). Esta rejeição simula os processos <strong>de</strong> <strong>de</strong>scarga e<br />
admissão do motor real.<br />
Figura 2.6 –Ciclo-padrão ar Diesel<br />
A eficiência pela Primeira Lei da Termodinâmica para o ciclo-padrão <strong>de</strong> ar Diesel é<br />
dada pela Equação (2.19), Li (1996):<br />
ou<br />
η<br />
mg<br />
.<br />
liq<br />
.<br />
W<br />
=<br />
Q<br />
h<br />
c<br />
= 1 −<br />
c<br />
v<br />
p<br />
( T<br />
( T<br />
4<br />
3<br />
− T1<br />
)<br />
− T )<br />
2<br />
k<br />
1 ⎡ r ⎤<br />
p − 1<br />
η = 1 − − ⎢ ⎥<br />
(2.19)<br />
mg<br />
k 1<br />
rv<br />
⎢⎣<br />
k ( r p − 1)<br />
⎥⎦<br />
on<strong>de</strong>, rp é a razão entre os volumes durante a expansão isobárica (processo 2-3), rv é a<br />
razão <strong>de</strong> compressão (processo 1-2) e k é a razão entre o calor específico a pressão e a<br />
volume constante.<br />
A eficiência pela Segunda Lei para o ciclo-padrão a ar Diesel é dada por:<br />
ou<br />
P<br />
2 3<br />
ε<br />
mg<br />
.<br />
4<br />
1<br />
v<br />
W liq c p ( T3<br />
− T2<br />
) − cv<br />
( T4<br />
− T1<br />
)<br />
= =<br />
A<br />
3 T<br />
q ⎛ h o ⎞<br />
∫ ⎜1<br />
− ⎟. c p . dT<br />
2 ⎝ T ⎠<br />
T<br />
2<br />
1<br />
3<br />
4<br />
s
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 27<br />
1<br />
k−1<br />
k<br />
rv<br />
( rp<br />
−1)<br />
− ( rp<br />
−1)<br />
ε k<br />
mg =<br />
(2.20)<br />
k −1<br />
T0<br />
rv<br />
( rp<br />
−1)<br />
− ln rp<br />
T1<br />
A eficiência calculada com as consi<strong>de</strong>rações do ciclo-padrão a ar é s<strong>em</strong>pre maior que o<br />
valor real, porque estas consi<strong>de</strong>rações não são compatíveis com a realida<strong>de</strong>. Em um<br />
motor real a combustão po<strong>de</strong> não ser completa e o processo <strong>de</strong> compressão e expansão<br />
não são isoentrópicos. Entretanto, o resultado obtido auxilia na i<strong>de</strong>ntificação <strong>de</strong><br />
parâmetros importantes para avaliar qualitativamente o <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do motor.<br />
As vantagens e <strong>de</strong>svantagens do <strong>em</strong>prego do motor a gás estão relacionadas abaixo<br />
(Trig<strong>em</strong>ed, 2004):<br />
Vantagens do <strong>em</strong>prego do motor a gás<br />
• A energia térmica recuperada não afeta a energia mecânica;<br />
• Energia térmica disponível <strong>em</strong> duas fontes;<br />
• Baixo custo;<br />
• Boa resposta às variações <strong>de</strong> carga;<br />
• Período <strong>de</strong> instalação reduzido, entre 9 e 12 meses;<br />
• Possibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> instalar vários motores <strong>em</strong> paralelo.<br />
Desvantagens do <strong>em</strong>prego do motor a gás<br />
• Ruído acentuado, principalmente <strong>em</strong> motores Diesel;<br />
• Necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> manutenção mais freqüente que as turbinas a gás.<br />
O t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> vida útil <strong>de</strong> um motor a gás varia entre 10.000 e 30.000 horas <strong>de</strong> operação<br />
para motores <strong>de</strong> pequeno porte e, entre 15 e 20 anos para unida<strong>de</strong>s entre 3 e 6 MW<br />
(Trig<strong>em</strong>ed, 2004).
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 28<br />
Trigeração usando motor a gás<br />
No diagrama da Figura 2.7, o motor a gás produz potência elétrica, o calor é recuperado<br />
através dos gases <strong>de</strong> exaustão e, também da água do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> arrefecimento. Neste<br />
sist<strong>em</strong>a po<strong>de</strong>-se obter água aquecida <strong>em</strong> até 120 ºC ou vapor <strong>de</strong> baixa pressão <strong>de</strong><br />
aproximadamente 34,5 kPa. Devido a esta limitação somente chillers <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong><br />
simples efeito po<strong>de</strong>m ser <strong>em</strong>pregados para esta configuração.<br />
Alternativamente, motores a gás po<strong>de</strong>m ser utilizados como máquina motriz para<br />
acionamento <strong>de</strong> compressores alternativos, <strong>de</strong> parafuso ou centrífugos <strong>em</strong> sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
refrigeração por compressão, tendo como vantag<strong>em</strong> a variação da velocida<strong>de</strong> para<br />
controle da geração <strong>de</strong> potência <strong>de</strong> refrigeração (Dhamadhikari, 2000).<br />
Combustível<br />
Gases <strong>de</strong><br />
exaustão<br />
Motor a gás<br />
Arrefecimento<br />
Água aq. ou<br />
vapor<br />
Eletricida<strong>de</strong><br />
Água<br />
aquecida<br />
Figura 2.7 - Trigeração com motor a gás<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Dharmadhikari (2000)<br />
2.3.3 Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> Recuperação <strong>de</strong> Calor Sensível<br />
Água Aq./Vapor<br />
para processo<br />
Chiller <strong>de</strong><br />
absorção<br />
Água<br />
gelada<br />
Diferent<strong>em</strong>ente <strong>de</strong> uma cal<strong>de</strong>ira convencional <strong>em</strong> que o calor é transferido por<br />
condução, convecção e radiação, <strong>em</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação o calor é transferido<br />
somente por convecção. Tal troca <strong>de</strong> calor ocorre inteiramente <strong>em</strong> bancos <strong>de</strong> tubos, que<br />
consist<strong>em</strong> <strong>de</strong> um superaquecedor, um evaporador e um economizador instalados nesta<br />
or<strong>de</strong>m. A existência do superaquecedor é opcional neste equipamento, <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ndo da<br />
qualida<strong>de</strong> do vapor necessária. Os gases que sa<strong>em</strong> da máquina motriz atravessam por<br />
estes bancos <strong>de</strong> tubos até chegar<strong>em</strong> à atmosfera.
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 29<br />
A eficiência térmica <strong>de</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor pela Primeira Lei da<br />
Termodinâmica é dada pela Equação (2.21), a qual representa a razão da potência<br />
térmica recebida pela substância fria e a cedida pela substância quente, (Li, 1996).<br />
on<strong>de</strong>, m vapor<br />
.<br />
m .<br />
gas<br />
é a vazão mássica do vapor;<br />
.<br />
mvapor(<br />
hs<br />
− he<br />
)<br />
η cald = .<br />
(2.21)<br />
mgas<br />
. c ( T −T<br />
)<br />
p<br />
a vazão mássica do gás rejeitado pelo equipamento <strong>de</strong> força motriz;<br />
c p o calor específico à pressão constante.<br />
Para a viabilização econômica <strong>de</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong>ve-se calcular o pinch<br />
point. O pinch point é <strong>de</strong>finido como a diferença mínima entre a t<strong>em</strong>peratura do gás e<br />
do líquido saturado, medido à saída do economizador, conforme Figuras 2.8 e 2.9.<br />
Água<br />
Figura 2.8 – Esqu<strong>em</strong>a básico <strong>de</strong> uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Balestieri (2001)<br />
T<br />
6<br />
ECO<br />
Figura 2.9 – Diagrama t<strong>em</strong>peratura x calor transferido<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Balestieri (2001)<br />
e<br />
EVAP<br />
7 8 9<br />
4<br />
9<br />
5<br />
Evaporador Economizador<br />
5<br />
8<br />
s<br />
4<br />
Vapor<br />
6<br />
7<br />
Q<br />
Gases <strong>de</strong> exaustão da<br />
máquina motriz
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 30<br />
O cálculo do pinch point é dado pelas equações apresentadas por Balestieri (2001):<br />
T<br />
.<br />
m<br />
⋅ C<br />
⋅η<br />
gas p cald<br />
5 = .<br />
m<br />
gas<br />
⋅T<br />
4<br />
⋅ C<br />
− m<br />
p<br />
5<br />
.<br />
⋅η<br />
vapor<br />
cald<br />
8<br />
⋅ ( h − h )<br />
9<br />
8<br />
(2.22)<br />
pinch = T − T<br />
(2.23)<br />
A Equação (2.24) representa a eficiência da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação pela Segunda Lei<br />
da Termodinâmica que é dada pela razão entre a disponibilida<strong>de</strong> recebida pela água,<br />
Avapor e a variação da disponibilida<strong>de</strong> do gás, ∆Agas.<br />
Avapor<br />
ε cald =<br />
(2.24)<br />
∆A<br />
gas<br />
O Avapor é o produto da vazão mássica <strong>de</strong> vapor pela diferença da disponibilida<strong>de</strong><br />
gerada, conforme Equação (2.25). A Equação (2.26) representa o ∆Agas, que é o produto<br />
da vazão mássica <strong>de</strong> gás que <strong>de</strong>ixa a fonte quente pela diferença da disponibilida<strong>de</strong><br />
gerada ao trocar calor na cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação.<br />
2.3.4 Refrigeração por Absorção<br />
∆<br />
.<br />
Avapor = mvapor<br />
( af 9 − af 7<br />
.<br />
Avapor vapor (( 9 7 0 9 7<br />
)<br />
= m h − h ) − T ( s − s ))<br />
(2.25)<br />
∆<br />
.<br />
Agas = m gas ( af 4 − af 6<br />
. ⎡<br />
⎛ T ⎞⎤<br />
4<br />
⎢<br />
⎜<br />
⎟<br />
gas = m gas c p ( T4<br />
− T6<br />
) − T0<br />
( c ln ⎥<br />
(2.26)<br />
⎣<br />
⎝ T6<br />
⎠⎦<br />
A p<br />
O ciclo <strong>de</strong> refrigeração por absorção opera transferindo calor <strong>de</strong> uma fonte <strong>de</strong> baixa<br />
t<strong>em</strong>peratura para uma fonte a alta t<strong>em</strong>peratura. Assim como no ciclo <strong>de</strong> compressão,<br />
faz<strong>em</strong> parte do ciclo <strong>de</strong> refrigeração por absorção, o con<strong>de</strong>nsador, a válvula <strong>de</strong> expansão<br />
e o evaporador.<br />
)
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 31<br />
Um ciclo típico <strong>de</strong> refrigeração por absorção é constituído ainda por um absorvedor, um<br />
trocador <strong>de</strong> calor e um gerador. Estes componentes têm a função <strong>de</strong> absorver o calor do<br />
vapor <strong>de</strong> baixa pressão <strong>em</strong> um líquido absorvente, trocar calor entre a solução forte e<br />
solução fraca e receber o calor <strong>de</strong> uma fonte externa, respectivamente. A solução forte é<br />
<strong>de</strong>finida como a solução composta pela mistura do líquido absorvente e refrigerante. A<br />
solução fraca é a solução que retorna ao absorvedor após a saída do refrigerante <strong>em</strong><br />
forma <strong>de</strong> vapor do gerador.<br />
Solução forte<br />
Bomba<br />
6<br />
Q .<br />
g<br />
.<br />
Q<br />
Q.<br />
1<br />
a<br />
Gerador<br />
7<br />
Trocador <strong>de</strong> calor<br />
8<br />
Vapor a<br />
alta pressão<br />
Solução<br />
fraca<br />
Figura 2.10 – Ciclo básico <strong>de</strong> refrigeração por absorção<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Wylen et al (1995)<br />
Con<strong>de</strong>nsador<br />
Vapor a baixa<br />
Absorvedor Evaporador<br />
pressão<br />
Válvula <strong>de</strong><br />
expansão<br />
O diagrama da Figura 2.10 representa o ciclo básico <strong>de</strong> refrigeração por absorção e a<br />
<strong>de</strong>scrição <strong>de</strong> funcionamento <strong>de</strong>ste ciclo está relacionada abaixo, conforme Stoecker e<br />
Jones (1985):<br />
• Gerador (processo 1-2) - O calor <strong>de</strong> uma fonte externa separa o refrigerante que<br />
foi absorvido pela solução fraca no absorvedor. Este calor po<strong>de</strong> ser proveniente<br />
do vapor, água a alta t<strong>em</strong>peratura e aquecimento direto através da queima <strong>de</strong><br />
algum combustível ou através dos gases <strong>de</strong> exaustão <strong>de</strong> uma turbina ou motor a<br />
gás;<br />
2<br />
5<br />
3<br />
4<br />
.<br />
c<br />
Q<br />
Q ev<br />
.
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 32<br />
• Con<strong>de</strong>nsador (processo 2-3) - O calor é rejeitado a pressão constante. Esta é a<br />
primeira eliminação <strong>de</strong> calor no ciclo, o fluido refrigerante <strong>de</strong>ixa o con<strong>de</strong>nsador<br />
no estado <strong>de</strong> líquido saturado;<br />
• Válvula <strong>de</strong> expansão (processo 3-4) - O líquido saturado é expandido <strong>em</strong> um<br />
processo isoentálpico;<br />
• Evaporador (processo 4-5) - O calor a baixa t<strong>em</strong>peratura da substância que está<br />
sendo refrigerada é absorvido pelo ciclo;<br />
• Absorvedor (processo 5-6) - O vapor <strong>de</strong> baixa pressão do evaporador é<br />
absorvido por uma solução líquida. Se esse processo fosse executado<br />
adiabaticamente, a t<strong>em</strong>peratura da solução iria subir e eventualmente a absorção<br />
<strong>de</strong> vapor po<strong>de</strong>ria cessar. Para efetuar o processo <strong>de</strong> absorção o absorvedor é<br />
resfriado por água ou ar, ocorrendo finalmente a segunda rejeição <strong>de</strong> calor do<br />
ciclo;<br />
• Trocador <strong>de</strong> calor (processos 6-1 e 7-8) - O calor é trocado entre a solução forte<br />
a alta pressão e a solução fraca que retorna ao absorvedor passando por uma<br />
válvula redutora <strong>de</strong> pressão.<br />
Coeficiente <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho<br />
T<br />
Tg<br />
T0<br />
Tev<br />
a b<br />
d<br />
Refrigeração<br />
.<br />
Q ev<br />
Figura 2.11 – Representação do ciclo <strong>de</strong> Carnot para refrigeração por absorção<br />
Fonte: Adaptado <strong>de</strong> Stoecker et al (1985)<br />
O coeficiente <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho (COP) do ciclo i<strong>de</strong>al <strong>de</strong> refrigeração por absorção po<strong>de</strong><br />
ser <strong>de</strong>finido a partir <strong>de</strong> um ciclo <strong>de</strong> Carnot, representado pela Figura 2.11.<br />
c<br />
e f<br />
h<br />
g<br />
s
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 33<br />
Nesse caso, t<strong>em</strong>-se um processo isotérmico para a transferência <strong>de</strong> calor no gerador à<br />
t<strong>em</strong>peratura (Tg), enquanto que no refrigerador <strong>de</strong> Carnot ocorre absorção <strong>de</strong> calor no<br />
evaporador à t<strong>em</strong>peratura (Tev) e a rejeição no con<strong>de</strong>nsador à t<strong>em</strong>peratura ambiente (To).<br />
O coeficiente <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do ciclo i<strong>de</strong>al é dado pela Equação (2.27):<br />
COP<br />
I<strong>de</strong>al<br />
Tev<br />
⋅ ( Tg<br />
− T0<br />
)<br />
=<br />
( T − T ) ⋅T<br />
0<br />
ev<br />
g<br />
(2.27)<br />
O COP real <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> refrigeração por absorção é medido <strong>em</strong> função da razão<br />
entre o efeito <strong>de</strong> refrigeração útil ( ev<br />
Q.<br />
) e a energia térmica que alimenta o chiller ( .<br />
Q ):<br />
.<br />
Q<br />
COP Re al = (2.28)<br />
Q<br />
Szargut (citado por Silva, 1994) propôs que o coeficiente <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Segunda<br />
Lei da Termodinâmica seja dado por:<br />
.<br />
ev<br />
.<br />
g<br />
Q ( ) T<br />
ev Tev<br />
−T0<br />
g<br />
ε a = − ⋅ ⋅<br />
.<br />
(2.29)<br />
Q<br />
Tev<br />
( Tg<br />
−T0<br />
)<br />
g<br />
A Equação (2.29) representa o cálculo da disponibilida<strong>de</strong> transferida no gerador e no<br />
evaporador a partir da quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> calor transferida <strong>em</strong> cada um <strong>de</strong>stes equipamentos<br />
supondo que o processo ocorra a t<strong>em</strong>peraturas constantes Tg, Tev e T0.<br />
No processo real a transferência se dá com variação da t<strong>em</strong>peratura e perda <strong>de</strong> carga <strong>em</strong><br />
equipamentos e tubulações. Assim, Kotas (1995) calcula diretamente a eficiência pela<br />
Segunda Lei através da razão entre a disponibilida<strong>de</strong> do fluido refrigerado, A frio e do<br />
fluido <strong>de</strong> aquecimento, A Vapchiller .<br />
A frio<br />
ε a =<br />
(2.30)<br />
A<br />
Vapchiller<br />
Também <strong>de</strong>ve ser consi<strong>de</strong>rada para cálculo da eficiência pela Segunda Lei a<br />
disponibilida<strong>de</strong> associada ao trabalho realizado pela bomba <strong>de</strong> solução, A bomba e outros<br />
equipamentos auxiliares A equip .<br />
g
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 34<br />
A frio<br />
ε a =<br />
(2.31)<br />
A + A + A<br />
Vapchiller<br />
bomba<br />
Para um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> absorção que opera sob um ciclo i<strong>de</strong>al a irreversibilida<strong>de</strong> será<br />
somente conseqüência da diferença finita <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peratura entre a fonte <strong>de</strong> calor e o<br />
fluido <strong>de</strong> trabalho.<br />
Pares <strong>de</strong> trabalho<br />
O refrigerante e líquido absorvente <strong>em</strong> um ciclo <strong>de</strong> absorção formam o chamado par <strong>de</strong><br />
trabalho. Muitos pares têm sido estudados ao longo dos anos, mas apenas dois têm sido<br />
utilizados industrialmente: água com amônia, sendo a água o absorvente e água com<br />
uma solução aquosa <strong>de</strong> brometo <strong>de</strong> lítio como absorvente.<br />
equip<br />
Tabela 2.1 – Comparação entre os pares <strong>de</strong> trabalho<br />
Pares <strong>de</strong> trabalho<br />
Água-Amônia Água-BrLi<br />
T<strong>em</strong>peraturas inferiores a 0º C Utilizado <strong>em</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> ar condicionado<br />
Pressão <strong>de</strong> trabalho positiva Pressão <strong>de</strong> trabalho negativa<br />
Fonte <strong>de</strong> calor com t<strong>em</strong>peratura mínima<br />
entre 100 e 120 ºC<br />
Fonte <strong>de</strong> calor com t<strong>em</strong>peratura mínima<br />
entre 60 e 80 ºC<br />
COP para chillers <strong>de</strong> simples efeito = 0,6 COP para chillers <strong>de</strong> simples efeito = 0,7<br />
COP para chillers <strong>de</strong> duplo efeito = 1,2 COP para chillers <strong>de</strong> duplo efeito = 1,2<br />
Fonte: Trig<strong>em</strong>ed (2004)<br />
Conforme <strong>de</strong>monstrado na Tabela 2.1, o par <strong>de</strong> trabalho água-amônia é encontrado <strong>em</strong><br />
aplicações <strong>de</strong> refrigeração com t<strong>em</strong>peraturas <strong>de</strong> evaporação baixas, inferiores a 0 ºC e o<br />
água-brometo <strong>de</strong> lítio é utilizado <strong>em</strong> aplicações <strong>de</strong> arrefecimento <strong>de</strong> ar, on<strong>de</strong> não há<br />
necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> t<strong>em</strong>peraturas inferiores a 0 ºC. A pressão <strong>em</strong> um chiller <strong>de</strong> água-amônia<br />
está geralmente acima da pressão atmosférica, ao passo que <strong>em</strong> chillers <strong>de</strong> águabrometo<br />
<strong>de</strong> lítio a pressão <strong>de</strong> trabalho é, <strong>em</strong> parte, negativa.
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 35<br />
Chillers <strong>de</strong> simples efeito e duplo efeito<br />
A Tabela 2.2 <strong>de</strong>monstra as principais características entre os chillers <strong>de</strong> simples e duplo<br />
efeito. O chiller <strong>de</strong> duplo efeito consiste <strong>de</strong> um equipamento similar ao <strong>de</strong> simples<br />
efeito com a instalação <strong>em</strong> cascata <strong>de</strong> dois geradores. A energia térmica é fornecida ao<br />
primeiro gerador <strong>em</strong> torno <strong>de</strong> 170 ºC e o calor dissipado no correspon<strong>de</strong>nte con<strong>de</strong>nsador<br />
é utilizado para alimentação do segundo gerador, que opera com t<strong>em</strong>peratura <strong>de</strong><br />
aproximadamente 100 ºC, como <strong>em</strong> um equipamento <strong>de</strong> simples efeito.<br />
Tabela 2.2 – Comparação entre os chillers <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong> simples e duplo efeito<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção<br />
Simples Efeito Duplo Efeito<br />
Potência 350 a 5.250 kW 700 a 1.200 kW<br />
T<strong>em</strong>peratura do vapor<br />
necessária<br />
Pressão do vapor<br />
necessária<br />
Consumo <strong>de</strong> vapor<br />
Consumo <strong>de</strong> água a<br />
alta t<strong>em</strong>peratura<br />
110 a 120 °C<br />
135 a 205 kPa<br />
2,55 kg/h por kW <strong>de</strong><br />
potência gerado<br />
30 a 72 kg/h por KW<br />
Fonte: Trig<strong>em</strong>ed (2004) e catálogo do fabricante Trane<br />
2.4 Análise Econômica<br />
175 a 185 °C<br />
1.000 a 1.100 kPa<br />
1,25 kg/h por kW <strong>de</strong><br />
potência gerado<br />
Os investimentos <strong>em</strong> sist<strong>em</strong>as energéticos <strong>de</strong>v<strong>em</strong> ser submetidos a avaliações<br />
econômicas a fim <strong>de</strong> se verificar a viabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> impl<strong>em</strong>entação dos mesmos.<br />
Avaliação <strong>de</strong> fluxo <strong>de</strong> caixa<br />
A avaliação do fluxo <strong>de</strong> caixa <strong>em</strong> um projeto é realizada através da comparação entre as<br />
entradas e saídas <strong>de</strong> recursos do mesmo <strong>em</strong> um período <strong>de</strong>terminado <strong>de</strong> t<strong>em</strong>po, trazidos<br />
a um momento zero. Exist<strong>em</strong> duas formas <strong>de</strong> efetuar esta comparação: Valor Presente<br />
Líquido (VPL) e a Taxa Interna <strong>de</strong> Retorno (TIR).<br />
-
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 36<br />
Valor Presente Líquido<br />
O Valor Presente Líquido é uma técnica utilizada para analisar o fluxo <strong>de</strong> caixa e<br />
consiste <strong>em</strong> comparar entradas e saídas no mesmo t<strong>em</strong>po a uma taxa mínima <strong>de</strong> retorno,<br />
<strong>de</strong>duzindo-se o valor do fluxo inicial ocorrido no valor presente a fim <strong>de</strong> auxiliar o<br />
investidor na possibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> aplicar seu capital na alternativa proposta,<br />
(Bernar<strong>de</strong>s, 1998).<br />
on<strong>de</strong>, FV é o valor <strong>de</strong> um <strong>de</strong>s<strong>em</strong>bolso no futuro;<br />
FV<br />
PV = (2.32)<br />
n ( 1+<br />
i ) 100<br />
i é a taxa <strong>de</strong> juros mensal (da poupança ou <strong>de</strong> qualquer outra aplicação<br />
pertinente);<br />
n é o prazo.<br />
Taxa Interna <strong>de</strong> Retorno<br />
A Taxa Interna <strong>de</strong> Retorno consiste <strong>em</strong> calcular a taxa <strong>em</strong> que o Valor Presente Líquido<br />
seja nulo, <strong>de</strong>terminando a real rentabilida<strong>de</strong> gerada pelo projeto (Bernar<strong>de</strong>s, 1998).<br />
E<br />
( 1+<br />
i)<br />
E1<br />
+<br />
( 1+<br />
i)<br />
E2<br />
+<br />
( 1+<br />
i)<br />
0<br />
VP = 0<br />
1<br />
2<br />
n<br />
En<br />
+ K + = 0<br />
(2.33)<br />
( 1+<br />
i)<br />
On<strong>de</strong> E correspon<strong>de</strong> aos eventos (entradas ou saídas <strong>de</strong> recursos) que ocorr<strong>em</strong> ao longo<br />
do projeto para uma Taxa Interna <strong>de</strong> Retorno, i.<br />
O estudo <strong>de</strong> viabilida<strong>de</strong> econômica se torna necessário para assegurar que a implantação<br />
<strong>de</strong> sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> cogeração, que é eficiente do ponto <strong>de</strong> vista termodinâmico, garanta<br />
benefícios <strong>de</strong> or<strong>de</strong>m econômica.<br />
Para a seleção da configuração ótima <strong>de</strong> uma planta <strong>de</strong> cogeração torna-se necessário<br />
analisar os parâmetros técnicos e econômicos. A saber:<br />
• Disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> combustível, tarifas da eletricida<strong>de</strong> e do gás natural;<br />
• D<strong>em</strong>anda normal <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>, vapor ou água aquecida e água gelada;<br />
• D<strong>em</strong>anda e t<strong>em</strong>po do pico <strong>de</strong> consumo;<br />
• Números <strong>de</strong> dias <strong>de</strong> operação por ano.
<strong>Capítulo</strong> 2 – Fundamentação Teórica 37<br />
O projeto <strong>de</strong> capacida<strong>de</strong> da planta <strong>de</strong> cogeração <strong>de</strong>ve suprir as <strong>de</strong>mandas <strong>de</strong> pico para<br />
cada necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia, apesar dos picos não acontecer<strong>em</strong><br />
concomitant<strong>em</strong>ente.<br />
A análise financeira <strong>de</strong>ve ser feita para a escolha correta do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> conversão <strong>de</strong><br />
energia, à medida que reduz os custos com o combustível aumentando a eficiência do<br />
sist<strong>em</strong>a, aumentam-se os custos com o investimento da planta. Os custos com a<br />
operação e manutenção in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>m do nível <strong>de</strong> eficiência.
<strong>Capítulo</strong> 3<br />
METODOLOGIA DE TRABALHO<br />
O <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> uma proposta metodológica com base nas equações apresentadas<br />
permite a estruturação <strong>de</strong> um programa computacional da avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho <strong>de</strong><br />
um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração pelas Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica.<br />
3.1 Aspectos Gerais da Metodologia<br />
Para evi<strong>de</strong>nciar melhor a metodologia implantada, a seqüência <strong>de</strong> cálculos e<br />
procedimentos foi i<strong>de</strong>ntificada por passos, a saber:<br />
Passo 1 – I<strong>de</strong>ntificar os equipamentos térmicos básicos aplicados à trigeração e<br />
apresentar as equações <strong>de</strong> eficiência térmica pela Primeira e Segunda Leis da<br />
Termodinâmica para os equipamentos <strong>em</strong> separado e para o ciclo.<br />
Passo 2 – Elaborar base <strong>de</strong> dados para a simulação mat<strong>em</strong>ática dos equipamentos<br />
constituintes do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração.<br />
Passo 3 – Aplicar a metodologia proposta <strong>em</strong> estudo <strong>de</strong> caso do setor terciário para sua<br />
validação.<br />
• Caracterização da situação atual do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia,<br />
consistindo <strong>de</strong>:<br />
a) Levantamento da <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> energia elétrica nos centros <strong>de</strong> consumo;<br />
b) Levantamento da produção e consumo <strong>de</strong> vapor;<br />
c) Avaliação do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> ar condicionado central;<br />
d) Cálculo da eficiência dos equipamentos.<br />
38
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 39<br />
• Apresentação da configuração proposta.<br />
Passo 4 – Desenvolver as rotinas <strong>de</strong> programação da metodologia proposta, utilizando o<br />
Engineering Equation Solver – EES.<br />
• Apresentação dos resultados obtidos a partir da Primeira Lei da Termodinâmica;<br />
• Apresentação dos resultados obtidos a partir da Segunda Lei da Termodinâmica.<br />
Passo 5 – Desenvolver e impl<strong>em</strong>entar as rotinas automatizadas <strong>de</strong> análise econômica<br />
com base no mo<strong>de</strong>lo do Valor Presente Líquido.<br />
• Análise <strong>de</strong> sensibilida<strong>de</strong>;<br />
a) Substituição dos equipamentos existentes;<br />
b) Custo <strong>de</strong> operação e manutenção atual;<br />
c) Financiamento;<br />
d) Custo do Gás Natural;<br />
e) Investimento <strong>em</strong> equipamentos para a trigeração;<br />
f) Custos <strong>de</strong> operação após a instalação da trigeração;<br />
g) Exce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> energia elétrica produzida;<br />
• Apresentação dos cenários econômicos.<br />
3.2 Equipamentos Térmicos Básicos Aplicados a Sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> Trigeração<br />
Nesta seção são apresentadas as equações <strong>de</strong> eficiência termodinâmica dos principais<br />
equipamentos que constitu<strong>em</strong> os sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração.<br />
3.2.1 Equipamento <strong>de</strong> Força Motriz<br />
A eficiência do ciclo da turbina a gás pela Primeira Lei da Termodinâmica é<br />
normalmente um dado <strong>de</strong> catálogo. Entretanto, a mesma po<strong>de</strong>rá ser calculada<br />
teoricamente através da Equação (2.16). As Equações (2.17) e (2.18) são utilizadas para<br />
o cálculo da eficiência do ciclo turbina a gás pela Segunda Lei.
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 40<br />
A eficiência do motor a gás pela Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica é dada<br />
pelas Equações (2.19) e (2.20), respectivamente.<br />
O Apêndice 1 relaciona alguns tipos <strong>de</strong> turbinas a gás com os dados técnicos <strong>de</strong><br />
catálogos dos fabricantes.<br />
3.2.2 Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> Recuperação <strong>de</strong> Calor Sensível<br />
A eficiência da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor sensível é dada pela razão entre a<br />
potência térmica recebida pela água e a potência térmica cedida pelos gases <strong>de</strong> exaustão<br />
da turbina a gás. Para os cálculos elaborados no estudo <strong>de</strong> caso apresentado este valor<br />
foi estimado <strong>em</strong> 80%. De forma teórica a eficiência pela Primeira e Segunda Leis da<br />
Termodinâmica para a cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação é dada pelas Equações (2.21) e (2.24),<br />
respectivamente.<br />
3.2.3 Chiller <strong>de</strong> Absorção<br />
O Coeficiente <strong>de</strong> Des<strong>em</strong>penho <strong>de</strong> um chiller <strong>de</strong> absorção é um dado a ser obtido nos<br />
catálogos dos fabricantes. O Apêndice 2 relaciona os dados técnicos <strong>de</strong> chillers <strong>de</strong><br />
simples e duplo efeito. A eficiência teórica pela Segunda Lei da Termodinâmica <strong>de</strong> um<br />
chiller <strong>de</strong> absorção é dada pela Equação (2.30).<br />
3.3 Critério <strong>de</strong> Avaliação do Des<strong>em</strong>penho para Sist<strong>em</strong>as Energéticos<br />
O critério para avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do ciclo convencional <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> potência<br />
elétrica, baseado na Primeira Lei é dado por Li (1996):<br />
On<strong>de</strong><br />
W .<br />
η c =<br />
(3.1)<br />
F<br />
c<br />
.<br />
W é a potência elétrica gerada, F é a energia <strong>de</strong> combustível e o subscrito (c) está<br />
relacionado a plantas <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia convencional, s<strong>em</strong> cogeração ou trigeração.<br />
O diagrama da Figura 3.1 representa <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração on<strong>de</strong> ocorre a geração<br />
simultânea <strong>de</strong> potência elétrica, vapor e água gelada.
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 41<br />
Combustível,Ftrig<br />
Figura 3.1 – Esqu<strong>em</strong>a típico <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração<br />
Assim, baseando nas equações <strong>de</strong> Li (1996), <strong>de</strong>fine-se o fator <strong>de</strong> utilização da energia<br />
(EUFtrig) como sendo um índice que avalia o <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração pela<br />
Primeira Lei da Termodinâmica.<br />
Sendo Q trig<br />
.<br />
Q .<br />
W .<br />
frio<br />
trig<br />
Turb ina<br />
a<br />
gá s<br />
Perdas<br />
Potência, .<br />
W<br />
EUF<br />
Gases<br />
trig<br />
.<br />
.<br />
Q trig + Q frio + W trig<br />
= (3.2)<br />
F<br />
trig<br />
.<br />
a potência térmica <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> vapor <strong>de</strong>stinado aos processos da instalação;<br />
a potência <strong>de</strong> refrigeração;<br />
a potência elétrica gerada.<br />
Ftrig é a energia do combustível fornecida ao sist<strong>em</strong>a.<br />
O Ftrig é dado pela Equação (3.3).<br />
.<br />
Ftrig f<br />
Perdas<br />
Vapor,<br />
Vapor,<br />
Cal<strong>de</strong>ira C hiller<br />
gerador<br />
Perdas<br />
Água gelada, Q frio<br />
.<br />
= m . PCI<br />
(3.3)<br />
Na Equação (3.2) a potência elétrica recebe o mesmo tratamento das potências térmicas<br />
geradas, entretanto a energia elétrica é muito mais valiosa que a térmica. Isto ocorre<br />
pelo fato <strong>de</strong>stas equações ter<strong>em</strong> sido avaliadas pela Primeira Lei da Termodinâmica.<br />
O critério <strong>de</strong> avaliação <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Segunda Lei é dado pelo fator <strong>de</strong> utilização<br />
da disponibilida<strong>de</strong> (AUFtrig):<br />
Q .<br />
Q .<br />
trig
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 42<br />
AUF<br />
trig<br />
Avapprocesso<br />
+ Afrio<br />
+ Aw<br />
= (3.4)<br />
A<br />
Sendo, Avapprocesso a disponibilida<strong>de</strong> recebida pelo vapor <strong>de</strong> processo;<br />
Afrio a disponibilida<strong>de</strong> produzida <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> água gelada;<br />
f<br />
Aw a disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> trabalho, ou seja, a disponibilida<strong>de</strong><br />
produzida <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>;<br />
Af a entrada <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> através do combustível no sist<strong>em</strong>a.<br />
Outra forma <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho da trigeração é a comparação entre a<br />
quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> combustível necessária para geração das potências úteis com a<br />
quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong> combustível necessária para geração dos mesmos índices <strong>de</strong> potência<br />
através <strong>de</strong> equipamentos separados. A economia <strong>de</strong> combustível ∆Ftrig, baseado <strong>em</strong> Li<br />
(1996), é dada por:<br />
.<br />
Q trig Q frio W trig<br />
∆Ftrig<br />
= + + − F<br />
η COP η<br />
cald<br />
.<br />
.<br />
c<br />
trig<br />
(3.5)<br />
On<strong>de</strong> η cald , COP e ηc é a eficiência da cal<strong>de</strong>ira, do chiller do motor ou turbina a gás<br />
pela Primeira Lei.<br />
A razão entre a economia <strong>de</strong> combustível (∆Ftrig) e o consumo <strong>de</strong> combustível requerido<br />
pelo sist<strong>em</strong>a convencional é a taxa <strong>de</strong> economia da energia <strong>de</strong> combustível (FESRtrig)<br />
expressa como:<br />
ou<br />
FESR<br />
FESR<br />
trig<br />
trig<br />
=<br />
.<br />
Q<br />
η<br />
trig<br />
cald<br />
cald<br />
∆F<br />
.<br />
trig<br />
Q frio W<br />
+ +<br />
COP η<br />
.<br />
trig<br />
c<br />
Ftrig<br />
= 1−<br />
(3.6)<br />
. .<br />
.<br />
Q trig Q frio W trig<br />
+ +<br />
η COP η<br />
c
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 43<br />
Esta mesma avaliação po<strong>de</strong> ser feita utilizando-se o conceito da disponibilida<strong>de</strong>. A taxa<br />
<strong>de</strong> economia da disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> combustível (FASRtrig) é obtida através da economia<br />
<strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> (∆Af).<br />
Avapprocesso<br />
Afrio<br />
W trig<br />
∆Atrig<br />
= + + − A<br />
ε ε ε<br />
cald<br />
a<br />
.<br />
c<br />
f<br />
(3.7)<br />
On<strong>de</strong>ε cald , ε a eε c é a eficiência da cal<strong>de</strong>ira, do chiller do motor ou turbina a gás pela<br />
Segunda Lei.<br />
ou<br />
FASR<br />
FASR<br />
trig<br />
trig<br />
=<br />
A<br />
vapprocesso<br />
ε<br />
cald<br />
cald<br />
∆A<br />
+<br />
trig<br />
A<br />
ε<br />
frio<br />
a<br />
a<br />
.<br />
W<br />
+<br />
ε<br />
trig<br />
c<br />
A f<br />
= 1−<br />
(3.8)<br />
.<br />
Avapprocesso<br />
A frio W trig<br />
+ +<br />
ε ε ε<br />
A equação do FASRtrig é similar à do FESRtrig. A primeira utiliza o conceito da<br />
disponibilida<strong>de</strong> enquanto a segunda utiliza o conceito da conservação da energia.<br />
Quando o combustível para um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração for o mesmo que o utilizado na<br />
geração convencional, estes parâmetros <strong>de</strong>v<strong>em</strong> apresentar o mesmo valor numérico (Li,<br />
1996).<br />
Coeficientes típicos da trigeração<br />
Os produtos dos sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração são: a potência térmica <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> vapor<br />
( Q trig<br />
.<br />
), a potência <strong>de</strong> refrigeração ( Q frio<br />
.<br />
) e a potência elétrica ( W trig<br />
.<br />
). Li (1996) relata<br />
que a relação entre estas potências é uma forma <strong>de</strong> qualificá-los. Desta forma, as<br />
Equações (3.9) e (3.10) representam estas relações.<br />
.<br />
c<br />
Q trig<br />
α trig =<br />
(3.9)<br />
.<br />
W trig
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 44<br />
.<br />
Q frio<br />
κ trig =<br />
(3.10)<br />
.<br />
W trig<br />
A representação da Equação (3.2) <strong>em</strong> função <strong>de</strong> αtrig e κtrig é expressa pela Equação<br />
(3.11).<br />
EUF = ( 1+<br />
α + κ ) ⋅η<br />
(3.11)<br />
trig<br />
On<strong>de</strong>η trig é a eficiência da máquina térmica que produz a potencia elétrica pela Primeira<br />
Lei. Em termos <strong>de</strong> equação η trig é expresso por:<br />
W .<br />
trig<br />
trig<br />
trig<br />
trig<br />
trig<br />
η trig =<br />
(3.12)<br />
F<br />
A taxa <strong>de</strong> economia da energia <strong>de</strong> combustível FESRtrig <strong>em</strong> termos <strong>de</strong> αtrig, κtrig e ηtrig é<br />
dada por:<br />
FESR<br />
trig<br />
1<br />
= 1 −<br />
(3.13)<br />
⎛ α trig κ trig 1 ⎞<br />
η ⎜ + +<br />
⎟<br />
trig<br />
⎝η<br />
cald COP ηc<br />
⎠<br />
Pelo conceito da disponibilida<strong>de</strong> afirma-se que os produtos da trigeração são a<br />
disponibilida<strong>de</strong> térmica <strong>em</strong> forma <strong>de</strong> vapor (Avapprocesso), a disponibilida<strong>de</strong> produzida <strong>em</strong><br />
forma <strong>de</strong> água gelada (Afrio) e a disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> trabalho (Aw). Então,<br />
<strong>de</strong>fine-se (βtrig) e o ( σ trig ) como sendo os parâmetro <strong>de</strong> avaliação equivalentes aos<br />
( α trig ) e ( κ trig ) da análise pela Primeira Lei.<br />
Avapprocesso<br />
β trig =<br />
(3.14)<br />
A<br />
w<br />
w<br />
A frio<br />
σ trig =<br />
(3.15)<br />
A<br />
A representação da Equação (3.4) <strong>em</strong> função <strong>de</strong> β trig e σ trig é expressa pela Equação<br />
(3.16).<br />
AUF = ( 1+<br />
β + σ ) ⋅ε<br />
(3.16)<br />
trig<br />
trig<br />
trig<br />
trig
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 45<br />
On<strong>de</strong>ε trig é a eficiência da máquina térmica que produz a potencia elétrica pela Segunda<br />
Lei. Em termos <strong>de</strong> equação ε trig é expresso por:<br />
=<br />
A<br />
w ε trig<br />
(3.17)<br />
Af<br />
A Equação (3.8) <strong>em</strong> função <strong>de</strong> β trig , σ trig e ε trig é expressa por:<br />
FASRtrig<br />
1<br />
= 1 −<br />
(3.18)<br />
⎛ β trig σ trig 1 ⎞<br />
ε ⎜ + +<br />
⎟<br />
trig<br />
⎝ ε cald ε a ε c ⎠<br />
Na trigeração, os parâmetros β trig e σ trig que são baseados no conceito da disponibilida<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>verão ser s<strong>em</strong>pre menor que os parâmetros αtrig e κtrig. Entretanto, o fator <strong>de</strong> utilização<br />
da disponibilida<strong>de</strong> é mais razoável e realístico que o fator <strong>de</strong> utilização da energia para<br />
avaliar o <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração (Li, 1996).<br />
Irreversibilida<strong>de</strong>s<br />
Na análise pela Segunda Lei da Termodinâmica é importante avaliar as<br />
irreversibilida<strong>de</strong>s geradas pelos sist<strong>em</strong>as. A irreversibilida<strong>de</strong> para um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
trigeração é dada pela Equação (3.16).<br />
I = A − A − A − A<br />
(3.19)<br />
trig<br />
f<br />
w<br />
frio<br />
vapprocesso<br />
3.4 Estudo Econômico Para Sist<strong>em</strong>as Energéticos<br />
O investimento <strong>em</strong> plantas <strong>de</strong> trigeração para substituição dos sist<strong>em</strong>as convencionais<br />
<strong>de</strong> geração energética requer uma análise econômica antes do <strong>em</strong>prego efetivo do<br />
recurso financeiro no <strong>em</strong>preendimento. A rotina <strong>de</strong> análise a ser <strong>de</strong>senvolvida<br />
possibilita verificar a viabilida<strong>de</strong> econômica do <strong>em</strong>preendimento ao compará-lo a um<br />
investimento no mercado financeiro.<br />
Neste sentido, é interessante comparar os fatores a seguir:<br />
• Avaliar minuciosamente os processos <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia existentes,<br />
verificando o <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho dos equipamentos e o t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> vida útil restante;
<strong>Capítulo</strong> 3 – Metodologia <strong>de</strong> Trabalho 46<br />
• Analisar as condições <strong>de</strong> manutenção e operação, como os custos gastos com<br />
insumos, funcionários e paradas periódicas;<br />
• Verificar as formas <strong>de</strong> financiamento para o investimento nos equipamentos a<br />
ser<strong>em</strong> adquiridos, observando as taxas <strong>de</strong> juros, o período <strong>de</strong> carência para o<br />
início do pagamento;<br />
• Avaliar o custo da tarifa do combustível a ser utilizado, assim como a<br />
disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> acesso ao mesmo <strong>em</strong> quantida<strong>de</strong> e qualida<strong>de</strong> necessária;<br />
• Especificar os equipamentos necessários com os seus respectivos custos.<br />
Acrescentar aos custos <strong>de</strong>stes, as taxas <strong>de</strong> importação, custos <strong>de</strong> transportes, <strong>de</strong><br />
construção civil, start up, painéis elétricos e custos com os sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong><br />
distribuição, proteção e cabos elétricos;<br />
• Simular os custos <strong>de</strong> operação e manutenção após a instalação do sist<strong>em</strong>a;<br />
• Analisar todas as formas <strong>de</strong> possíveis receitas que a instalação <strong>de</strong>ste sist<strong>em</strong>a<br />
possa ocasionar, como a comercialização do exce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> vapor ou energia<br />
elétrica;<br />
• Desenvolver cenários econômicos para auxiliar nas negociações <strong>de</strong> preço do<br />
combustível junto à concessionária, órgãos públicos, etc.<br />
Este estudo econômico t<strong>em</strong> sua fundamentação na teoria do Valor Presente Líquido<br />
e utiliza a Equação (2.32) para a avaliação da viabilida<strong>de</strong> econômica dos sist<strong>em</strong>as<br />
energéticos propostos.
<strong>Capítulo</strong> 4<br />
ROTINA COMPUTACIONAL PARA AVALIAÇÃO DOS<br />
DESEMPENHOS ENERGÉTICO E EXERGÉTICO<br />
Neste <strong>Capítulo</strong> apresentam-se os fluxogramas das rotinas computacionais para<br />
implantação no EES – Engineering Equation Solver com a finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> automatizar a<br />
metodologia <strong>de</strong>scrita no <strong>Capítulo</strong> 3. Essa metodologia foi utilizada para simular um<br />
sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração composto por uma turbina a gás, uma cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação e<br />
um chiller <strong>de</strong> absorção que opera com a mistura Brometo <strong>de</strong> Lítio e água a<strong>de</strong>quada aos<br />
parâmetros energéticos do Hospital João XXIII. A finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong>ste programa é obter as<br />
eficiências energética e exergética <strong>de</strong>ste sist<strong>em</strong>a proposto.<br />
A aplicação do critério <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho para sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração inicia-se com a<br />
especificação dos equipamentos a ser<strong>em</strong> propostos aplicando a rotina do fluxograma da<br />
Figura 4.1. Como fonte <strong>de</strong> apoio à rotina foi gerada uma base <strong>de</strong> dados, conforme<br />
Apêndices 1 e 2, on<strong>de</strong> estão informações <strong>de</strong> catálogos das turbinas a gás e dos chillers<br />
<strong>de</strong> absorção.<br />
47
<strong>Capítulo</strong> 4 – Rotina Computacional para Avaliação dos Des<strong>em</strong>penhos Energético e Exergético 48<br />
4.1 Fluxograma <strong>de</strong> seleção dos equipamentos da trigeração<br />
Levantamento da<br />
<strong>de</strong>manda elétrica nos<br />
centros <strong>de</strong> consumo<br />
Especificação do<br />
equipamento <strong>de</strong> força<br />
motriz<br />
Início<br />
Levantamento do<br />
consumo <strong>de</strong> vapor<br />
Especificação da<br />
cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
recuperação<br />
Figura 4.1 – Fluxograma <strong>de</strong> seleção dos equipamentos <strong>de</strong> trigeração<br />
Após a seleção dos equipamentos a<strong>de</strong>quados, <strong>em</strong>pregam-se as sub-rotinas da Figura 4.2<br />
e 4.3 para a avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho termodinâmico do sist<strong>em</strong>a proposto.<br />
Fim<br />
Levantamento da<br />
<strong>de</strong>manda <strong>de</strong><br />
refrigeração<br />
Especificação do<br />
chiller <strong>de</strong> absorção
<strong>Capítulo</strong> 4 – Rotina Computacional para Avaliação dos Des<strong>em</strong>penhos Energético e Exergético 49<br />
4.2 Fluxograma da sub-rotina <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
trigeração pela Primeira Lei da Termodinâmica<br />
Cálculo da potência<br />
térmica a ser utilizada no<br />
processo<br />
Início<br />
Cálculo da vazão<br />
volumétrica do Gás<br />
Natural<br />
Cálculos dos estados<br />
termodinâmicos no<br />
equip. <strong>de</strong> força motriz<br />
Cálculo da vazão mássica<br />
<strong>de</strong> vapor produzido<br />
Determinação do Pinch<br />
Point<br />
Cálculo da potência<br />
térmica produzida pela<br />
cal<strong>de</strong>ira<br />
Cálculo dos parâmetros<br />
<strong>de</strong> avaliação energética<br />
Fim<br />
Figura 4.2 – Fluxograma <strong>de</strong> avaliação <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Primeira Lei<br />
Os parâmetros <strong>de</strong> avaliação energética são: αtrig, Equação (3.1); κ trig, Equação (3.2);<br />
EUFtrig, Equação (3.4) e FESRtrig, Equação (3.7).<br />
Cálculo da potência<br />
térmica a ser recebida<br />
pelo chiller
<strong>Capítulo</strong> 4 – Rotina Computacional para Avaliação dos Des<strong>em</strong>penhos Energético e Exergético 50<br />
4.3 Fluxograma da sub-rotina <strong>de</strong> avaliação do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
trigeração pela Segunda Lei da Termodinâmica<br />
Cálculo da disponibilida<strong>de</strong><br />
térmica <strong>de</strong>stinada aos<br />
processos<br />
Início<br />
Cálculo da disponibilida<strong>de</strong><br />
do combustível na entrada<br />
do sist<strong>em</strong>a<br />
Cálculo da transferência <strong>de</strong><br />
trabalho disponível<br />
Cálculo da eficiência do<br />
equipamento <strong>de</strong> força<br />
motriz<br />
Cálculo da eficiência da<br />
cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
Cálculo da transferência <strong>de</strong><br />
calor disponível<br />
Cálculo da eficiência do<br />
chiller<br />
1<br />
Cálculo da disponibilida<strong>de</strong><br />
térmica recebida pela água<br />
gelada
<strong>Capítulo</strong> 4 – Rotina Computacional para Avaliação dos Des<strong>em</strong>penhos Energético e Exergético 51<br />
Figura 4.3 – Fluxograma <strong>de</strong> avaliação <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Segunda Lei<br />
Os parâmetros <strong>de</strong> avaliação exergética são: βtrig, Equação (3.8); σ trig, Equação (3.9);<br />
AUFtrig, Equação (3.10) e FASRtrig, Equação (3.14).<br />
No Anexo 1 <strong>de</strong>ste trabalho constam as listagens da rotina computacional TrigeraTG.<br />
1<br />
Cálculo dos parâmetros <strong>de</strong><br />
avaliação exergética<br />
Cálculo das<br />
irreversibilida<strong>de</strong>s<br />
Fim
<strong>Capítulo</strong> 5<br />
ESTUDO DE CASO APLICADO AO HOSPITAL JOÃO XXIII E<br />
ANÁLISE DOS RESULTADOS<br />
Para validação da metodologia <strong>de</strong>senvolvida foi realizado um estudo <strong>de</strong> caso com a<br />
finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> comparar termo-economicamente o consumo <strong>de</strong> energia elétrica e os<br />
processos <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> utilida<strong>de</strong>s atualmente existentes no Hospital João XXIII com o<br />
sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração proposto. A escolha do hospital para o estudo <strong>de</strong> caso v<strong>em</strong> ao<br />
encontro da real necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> investimentos para a substituição dos equipamentos <strong>de</strong><br />
geração energética, principalmente os chillers <strong>de</strong> compressão que estão ultrapassados e<br />
operando precariamente.<br />
5.1 Configuração Atual do Hospital João XXIII<br />
A instalação do hospital, cuja área total construída é <strong>de</strong> aproximadamente 14.550 m 2 <strong>em</strong><br />
um prédio <strong>de</strong> 10 pavimentos, é consi<strong>de</strong>rado como o centro <strong>de</strong> referência da Região<br />
Metropolitana <strong>de</strong> Belo Horizonte para atendimento <strong>de</strong> urgência e <strong>em</strong>ergência,<br />
funcionando 24 horas por dia.<br />
Em visitas técnicas à Comissão Interna <strong>de</strong> Conservação <strong>de</strong> Energia e às <strong>de</strong>pendências<br />
do hospital foram obtidas informações relevantes sobre o consumo <strong>de</strong> energia elétrica, o<br />
sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> ar condicionado e a produção <strong>de</strong> vapor.<br />
A CICE é uma comissão criada no hospital sob a supervisão da Companhia Energética<br />
<strong>de</strong> Minas Gerais com o objetivo <strong>de</strong> propor, impl<strong>em</strong>entar e acompanhar medidas efetivas<br />
<strong>de</strong> utilização racional <strong>de</strong> energia.<br />
A avaliação do consumo <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong> e a configuração dos equipamentos existentes<br />
para a produção <strong>de</strong> vapor e água gelada estão representadas na seqüência.<br />
52
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 53<br />
a) Levantamento da <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> energia elétrica nos centros <strong>de</strong> consumo<br />
A Tabela 5.1 representa a participação <strong>de</strong> cada centro <strong>de</strong> consumo na potência instalada<br />
no Hospital João XXIII. O percentual do consumo levantado foi obtido <strong>em</strong> função <strong>de</strong><br />
estimativas <strong>de</strong> t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> operação e funcionamento (CICE, 2003). O consumo médio<br />
mensal por equipamento foi baseado na média da conta <strong>de</strong> energia durante o ano <strong>de</strong><br />
2004, que foi <strong>de</strong> 332.200 kWh, conforme Tabela 5.2.<br />
Tabela 5.1 – Caracterização energética dos centros <strong>de</strong> consumo do Hospital João XXIII<br />
Uso final<br />
Potência<br />
Consumo levantado<br />
instalada (kW) % kWh/mês<br />
Aparelhos diversos 127 8,40 27.905<br />
Ar comprimido e vácuo 40 3,60 11.959<br />
Ar condicionado 425 42,00 139.524<br />
Autoclave 80 5,30 17.607<br />
Bombeamento <strong>de</strong> água 28 1,80 5.980<br />
Elevadores 108 7,20 23.918<br />
Iluminação 130 17,00 56.474<br />
Máquinas <strong>de</strong> lavan<strong>de</strong>ria 64 4,20 13.952<br />
Sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> refrigeração 29 2,00 6.644<br />
Ventilação/Exaustão 112 7,50 24.915<br />
Outros 13 1,00 3.322<br />
Total 1.156 100 332.200<br />
Fonte: CICE (2003) e Conta <strong>de</strong> energia da C<strong>em</strong>ig (2004)<br />
Na Tabela 5.1 verifica-se que o sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> ar condicionado é responsável por 42 % do<br />
consumo total <strong>de</strong> energia elétrica.<br />
A <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> energia elétrica contratada junto à C<strong>em</strong>ig para o horário fora da ponta é<br />
<strong>de</strong> 648 kW e para horário <strong>de</strong> ponta é <strong>de</strong> 590 kW, sendo <strong>de</strong>stinadas três horas diárias para<br />
o consumo <strong>de</strong> energia no horário <strong>de</strong> ponta.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 54<br />
Os números atuais <strong>de</strong>sta <strong>de</strong>manda são resultados da intervenção da CICE juntamente<br />
com a C<strong>em</strong>ig, já que antes da crise energética <strong>de</strong> 2001, estes números eram <strong>de</strong><br />
1.530 kW para o horário fora da ponta e 1.250 kW para o horário <strong>de</strong> ponta.<br />
Tabela 5.2 – Consumo <strong>de</strong> energia mensal durante o ano 2004<br />
Mês Consumo Horário Fora da<br />
Ponta (kWh)<br />
Consumo Horário <strong>de</strong><br />
Ponta (kWh)<br />
Janeiro 331.200 31.200<br />
Fevereiro 338.400 31.200<br />
Março 296.400 28.800<br />
Abril 326.400 31.200<br />
Maio 331.200 30.000<br />
Junho 270.000 26.400<br />
Julho 276.000 27.600<br />
Agosto 280.800 26.400<br />
Set<strong>em</strong>bro 282.000 27.600<br />
Outubro 297.600 28.800<br />
Nov<strong>em</strong>bro 326.400 28.800<br />
Dez<strong>em</strong>bro 284.400 27.600<br />
Média 303.400 28.800<br />
Fonte: Conta <strong>de</strong> energia da C<strong>em</strong>ig (2004)<br />
b) Produção e consumo <strong>de</strong> vapor<br />
O vapor no Hospital João XXIII é gerado por duas cal<strong>de</strong>iras flamotubulares, conforme<br />
mostrado na Figura 5.1. Uma das cal<strong>de</strong>iras é mantida como reserva ocorrendo a<br />
alternância <strong>de</strong> operação entre elas a cada três meses. A operação da cal<strong>de</strong>ira é realizada<br />
por uma <strong>em</strong>presa terceirizada. O combustível utilizado é o óleo mineral 1A (BPF).
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 55<br />
Figura 5.1 – Cal<strong>de</strong>ira Flamotubular do Hospital João XXIII<br />
Os dados <strong>de</strong> placa das mesmas estão relacionados abaixo:<br />
• Marca: Ata<br />
• Tipo: 18<br />
• Mo<strong>de</strong>lo: H3N<br />
• Ano <strong>de</strong> fabricação: 1990<br />
• Vazão Mássica: 3.300 kg/h<br />
• MPTA (Máxima Pressão <strong>de</strong> Trabalho Admissível): 1,055 MPa<br />
• Pressão <strong>de</strong> teste: 1,589 MPa<br />
• Superfície <strong>de</strong> vaporização: 108 m 2<br />
As condições <strong>de</strong> trabalho verificadas encontram-se abaixo relacionadas:<br />
• T<strong>em</strong>peratura do vapor gerado: 180 º C<br />
• T<strong>em</strong>peratura da água na entrada da cal<strong>de</strong>ira: 90 º C<br />
• Período <strong>de</strong> operação: 7 dias/s<strong>em</strong>ana das 6 às 20h<br />
• Consumo <strong>de</strong> óleo: 107,3 kg/h<br />
• Vazão mássica <strong>de</strong> vapor <strong>em</strong> horário <strong>de</strong> pico: 2.900 kg/h<br />
A distribuição do vapor por setores do hospital está representada pela Tabela 5.3.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 56<br />
Tabela 5.3 - Distribuição do consumo <strong>de</strong> vapor<br />
Localização Consumo (%)<br />
Lavan<strong>de</strong>ria 15<br />
Esterilização 50<br />
Cozinha 30<br />
Aquecimento <strong>de</strong> água para banheiros 5<br />
Fonte: Estimativa verbal dos coor<strong>de</strong>nadores da CICE (2004)<br />
c) Avaliação do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> ar condicionado central<br />
As áreas climatizadas do Hospital João XXIII são assistidas por dois sist<strong>em</strong>as<br />
completamente in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ntes <strong>em</strong> suas composições. O primeiro sist<strong>em</strong>a é composto<br />
por dois chillers Hitachi, mo<strong>de</strong>lo RCV 4004S, sendo um mantido como reserva. Este<br />
sist<strong>em</strong>a t<strong>em</strong> capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> 138 kW e fornece água gelada para climatização das<br />
seguintes salas:<br />
• Raio-x;<br />
• Ultra-som;<br />
• Tomógrafos;<br />
• Manutenção eletrônica;<br />
• Aten<strong>de</strong>ntes e técnicos;<br />
• Auditório.<br />
O segundo sist<strong>em</strong>a é similar ao primeiro, com equipamentos do mesmo fabricante e <strong>de</strong><br />
maior capacida<strong>de</strong>. O mo<strong>de</strong>lo é o RCV 14004S e possui capacida<strong>de</strong> <strong>de</strong> 472,3 kW. Este<br />
sist<strong>em</strong>a t<strong>em</strong> a função <strong>de</strong> climatizar as seguintes áreas do hospital:<br />
• Salas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 do bloco cirúrgico;<br />
• Corredores;<br />
• Secretaria e sala <strong>de</strong> observação do bloco cirúrgico;<br />
• CTI;<br />
• Central <strong>de</strong> material e esterilização;<br />
• Bloco cirúrgico do 1º andar;<br />
• UTI's;
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 57<br />
• Xerox;<br />
• Diretoria;<br />
• Laboratórios;<br />
• Centro <strong>de</strong> processamentos <strong>de</strong> dados.<br />
As seguintes áreas do hospital possu<strong>em</strong> aparelhos <strong>de</strong> ar condicionado instalados<br />
diretamente nas janelas totalizando uma potência <strong>de</strong> refrigeração <strong>de</strong> 191,7 kW. São elas:<br />
• Bancos <strong>de</strong> sangue;<br />
• Centro <strong>de</strong> processamento <strong>de</strong> dados (sist<strong>em</strong>a auxiliar);<br />
• Setor <strong>de</strong> administração financeira;<br />
• Setor <strong>de</strong> finanças;<br />
• Tesouraria;<br />
• Bancos;<br />
• Chefia da manutenção.<br />
A Figura 5.2 mostra os chillers <strong>de</strong> compressão que estão instalados no subsolo do<br />
hospital. Estes chillers utilizam o R-22 como fluido refrigerante.<br />
Figura 5.2 – Chiller <strong>de</strong> compressão Hitachi
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 58<br />
d) Cálculo da eficiência dos equipamentos<br />
Os cálculos das eficiências térmicas dos equipamentos atualmente existentes no<br />
Hospital João XXIII estão no Anexo 2 <strong>de</strong>ste trabalho. A Tabela 5.4 apresenta os<br />
resultados obtidos através <strong>de</strong>stes cálculos.<br />
Tabela 5.4 – Resultados das eficiências calculadas<br />
Primeira Lei η = 55,<br />
2%<br />
Cal<strong>de</strong>ira Flamotubular Segunda Lei ε = 24,<br />
2%<br />
Primeira Lei COP= 1,44<br />
Chillers <strong>de</strong> Compressão Segunda Lei Não calculado<br />
Os valores obtidos para as eficiências térmicas são consi<strong>de</strong>rados baixos. Entretanto,<br />
<strong>de</strong>ve-se consi<strong>de</strong>rar que foram baseados <strong>em</strong> informações <strong>de</strong> consumo <strong>de</strong> longo prazo,<br />
como médias anuais.<br />
5.2 Apresentação da Configuração Proposta<br />
O sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração proposto utiliza o ciclo da turbina a gás, que nesta configuração<br />
visa aten<strong>de</strong>r prioritariamente o consumo <strong>de</strong> vapor, calculado <strong>em</strong> 4.665 kg/h, sendo que<br />
<strong>de</strong>stes, 1.584 kg/h são <strong>de</strong>stinados ao chiller <strong>de</strong> absorção e o restante para os processos<br />
hospitalares.<br />
Os dados técnicos da turbina selecionada foram extraídos do Apêndice 1 e estão<br />
relacionados a seguir:<br />
• Potência: 1590 kW<br />
• Eficiência: 25 %<br />
• Vazão <strong>de</strong> gás: 8,53 kg/s<br />
• T<strong>em</strong>peratura do gás: 565 º C<br />
• Razão <strong>de</strong> compressão: 6,6<br />
• Fabricante: OPRA<br />
• Mo<strong>de</strong>lo: OP-16S1A<br />
cald<br />
cald
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 59<br />
Devido à substituição dos dois chillers <strong>de</strong> compressão por um <strong>de</strong> absorção a <strong>de</strong>manda<br />
elétrica estimada para o horário <strong>de</strong> ponta passa ser <strong>de</strong> 410 kW. O exce<strong>de</strong>nte 1.180 kW<br />
<strong>de</strong> energia elétrica a ser produzido com esta configuração po<strong>de</strong> ser, por ex<strong>em</strong>plo,<br />
disponibilizado para venda no Mercado Atacadista <strong>de</strong> Energia.<br />
A escolha <strong>de</strong> uma turbina a gás para o sist<strong>em</strong>a proposto se justifica pelo fato <strong>de</strong>stes<br />
equipamentos ser<strong>em</strong> mais a<strong>de</strong>quados quando há necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> altas vazões <strong>de</strong> gás <strong>de</strong><br />
exaustão com t<strong>em</strong>peraturas mais elevadas.<br />
Na especificação da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação <strong>de</strong> calor sensível foram utilizados os dados<br />
técnicos das cal<strong>de</strong>iras flamotubulares instaladas, sendo selecionada a cal<strong>de</strong>ira mo<strong>de</strong>lo<br />
AV-4 horizontal do fabricante Aalborg. O sist<strong>em</strong>a proposto utiliza uma única cal<strong>de</strong>ira<br />
<strong>de</strong> recuperação para aten<strong>de</strong>r à <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> vapor nos processos hospitalares e, também,<br />
o consumo do chiller <strong>de</strong> absorção.<br />
Para especificação do chiller <strong>de</strong> absorção foi sugerido o <strong>em</strong>prego <strong>de</strong> chillers <strong>de</strong> duplo<br />
efeito, já que estes apresentam o COP maior que os equipamentos similares <strong>de</strong> simples<br />
efeito e a qualida<strong>de</strong> do vapor produzido pela cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação é a<strong>de</strong>quado à sua<br />
necessida<strong>de</strong>. O chiller selecionado foi o ABTF-380 <strong>de</strong> do fabricante Trane, cujos dados<br />
<strong>de</strong> catálogo foram extraídos do Apêndice 2 e estão relacionados a seguir:<br />
• Capacida<strong>de</strong>: 1266 kW<br />
• COP: 1,20<br />
• Razão <strong>de</strong> Vapor: 1,25 kg/kWh<br />
• Vazão <strong>de</strong> água gelada: 196 m 3 /h<br />
• T<strong>em</strong>peratura da água gelada na entrada do chiller: 12,20 º C<br />
• T<strong>em</strong>peratura da água gelada na saída do chiller: 6,67 º C<br />
A <strong>de</strong>manda atual <strong>de</strong> água gelada do hospital é <strong>de</strong> 802 kW e o exce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> 464 kW,<br />
previsto nesta configuração, é para aten<strong>de</strong>r à necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> climatização <strong>em</strong> áreas que<br />
não dispõe <strong>de</strong>sta utilida<strong>de</strong> atualmente, como os ambulatórios do andar térreo, a cozinha<br />
e a lavan<strong>de</strong>ria. Nestas áreas a t<strong>em</strong>peratura média anual é b<strong>em</strong> superior à t<strong>em</strong>peratura<br />
ambiente tornando-se áreas praticamente insalubres.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 60<br />
5.2.1 Apresentação dos resultados obtidos a partir da Primeira Lei da<br />
Termodinâmica<br />
Os resultados a ser<strong>em</strong> apresentados na seqüência foram calculados no programa<br />
computacional TrigeraTG que se está no Anexo 1 <strong>de</strong>ste trabalho. A Figura 5.3<br />
representa o esqu<strong>em</strong>a do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração proposto para o hospital com a<br />
representação dos dados <strong>de</strong> entrada para os cálculos a ser<strong>em</strong> realizados.<br />
Compressor<br />
Ar (T1, P1)<br />
Figura 5.3 – Esqu<strong>em</strong>a do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração com parâmetros da Primeira Lei<br />
Resultados - Turbina a gás<br />
Tabela 5.5 – Resultados dos cálculos para o ciclo da turbina a gás pela Primeira Lei<br />
T<strong>em</strong>peratura do ar na entrada do Compressor – T1<br />
Pressão do ar na entrada do Compressor - P1<br />
Volume <strong>de</strong> Combustível admitido - V f<br />
.<br />
Po<strong>de</strong>r Calorífico Inferior do Gás Natural – PCI<br />
Potência Elétrica - Wtrig<br />
T<strong>em</strong>peratura dos gases na exaustão – T4<br />
Vazão mássica dos gases - m gas<br />
.<br />
Eficiência - ηtg<br />
Gás Natural (v comb , PCI)<br />
Câmara <strong>de</strong><br />
combustão<br />
Gases Alta<br />
T<strong>em</strong>peratura<br />
(m gas, T4)<br />
Água<br />
(T7, P7)<br />
Turbina<br />
Água<br />
Eletricida<strong>de</strong><br />
(W TRIG)<br />
G<br />
(Pinch)<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
Recuperação<br />
Vapor processo<br />
(mvapprocesso)<br />
Gase s a baixa<br />
t<strong>em</strong>peratura<br />
(T6)<br />
Vapor<br />
(m vapor, T9, X9)<br />
(mvapchiller)<br />
Chiller <strong>de</strong><br />
absorção<br />
Água Gelada para<br />
Fancois<br />
(m agua , T10, P10)<br />
Retorno Água<br />
(T11, P11)<br />
288 K<br />
93 kPa<br />
0,1691 Nm 3 /s<br />
50.050 kJ/kg<br />
1.590 kW<br />
838 K<br />
8,53 kg/s<br />
28,35 %
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 61<br />
Resultados - Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> Recuperação <strong>de</strong> Calor Sensível<br />
Tabela 5.6 – Resultados dos cálculos para a cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação pela Primeira Lei<br />
Vazão mássica <strong>de</strong> vapor - m vapor<br />
.<br />
Vazão <strong>de</strong> vapor <strong>de</strong>stinado aos processos - m vapprocesso<br />
.<br />
Vazão <strong>de</strong> vapor <strong>de</strong>stinada ao chiller - m vapchiller<br />
.<br />
T<strong>em</strong>peratura dos gases para atmosfera – T6<br />
T<strong>em</strong>peratura da água na entrada da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação – T7<br />
T<strong>em</strong>peratura do vapor – T9<br />
Pressão da água na entrada da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação – P7<br />
Pressão do vapor na saída da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação – P9<br />
Título do vapor – X9<br />
Pinch Point – Pinch<br />
Eficiência - ηcald<br />
Resultados - Chiller <strong>de</strong> Absorção<br />
1,296 kg/s<br />
0,856 kg/s<br />
0,4396 kg/s<br />
423 K<br />
90 ºC<br />
212,4 ºC<br />
2.000 kPa<br />
2.000 kPa<br />
1<br />
5<br />
28,36 ºC<br />
Tabela 5.7 – Resultados para os cálculos do chiller <strong>de</strong> absorção pela Primeira Lei<br />
Pressão da água gelada na saída do chiller - P10<br />
Pressão da água gelada retornando ao chiller - P11<br />
T<strong>em</strong>peratura da água na saída do chiller – T10<br />
T<strong>em</strong>peratura da água gelada retornando ao chiller - T11<br />
Coeficiente <strong>de</strong> Des<strong>em</strong>penho – COP<br />
80 %<br />
2.500 kPa<br />
2.000 kPa<br />
6,67 ºC<br />
12,2 ºC<br />
1,20
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 62<br />
Resultados - Parâmetros <strong>de</strong> Des<strong>em</strong>penho<br />
Tabela 5.8 – Parâmetros <strong>de</strong> Des<strong>em</strong>penho pela Primeira Lei<br />
αtrig<br />
κtrig<br />
EUFtrig<br />
FESRtrig<br />
Parâmetro Resultado<br />
1,303<br />
0,7962<br />
0,7748<br />
0,3643<br />
5.2.2 Apresentação dos resultados obtidos a partir da Segunda Lei da<br />
Termodinâmica<br />
A Figura 5.4 representa os dados <strong>de</strong> entrada e os resultados calculados, cujos valores<br />
serão apresentados na seqüência.<br />
Compressor<br />
Ar (T0, P0)<br />
Gás Natural (A comb )<br />
Câmara <strong>de</strong><br />
combustão<br />
( Acc )<br />
Gases Alta<br />
T<strong>em</strong>peratura<br />
(Agas )<br />
Turbina<br />
Água<br />
Eletricida<strong>de</strong><br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
Recuperação<br />
Vapor processo<br />
(Avapprocesso )<br />
Gases para a<br />
atmosfera<br />
(A chiller )<br />
Chiller <strong>de</strong><br />
absorç ão<br />
Água Gelada para<br />
Fancoils (Arrio)<br />
Figura 5.4 – Esqu<strong>em</strong>a do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração com parâmetros da Segunda Lei<br />
G<br />
(Aw)<br />
Vapor<br />
(Avapor)<br />
Retorno Água
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 63<br />
Resultados - Turbina a gás<br />
Tabela 5.9 – Resultados para os cálculos do ciclo da turbina a gás pela Segunda Lei<br />
Disponibilida<strong>de</strong> que entra no sist<strong>em</strong>a através do combustível – Af<br />
Disponibilida<strong>de</strong> da transferência <strong>de</strong> calor na Câmara <strong>de</strong> Combustão - Acc<br />
Disponibilida<strong>de</strong> que <strong>de</strong>ixa a turbina através dos gases <strong>de</strong> exaustão - ∆Agas<br />
Transferência <strong>de</strong> disponibilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> trabalho - Aw<br />
Eficiência - εc<br />
Resultados - Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> Recuperação <strong>de</strong> Calor<br />
6.360 kW<br />
4.729 kW<br />
1.995 kW<br />
1.590 kW<br />
33,6 %<br />
Tabela 5.10 – Resultados para os cálculos da cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação pela Segunda Lei<br />
Disponibilida<strong>de</strong> do vapor - Avapor<br />
Disponibilida<strong>de</strong> do vapor <strong>de</strong>stinado aos processos - Avapprocesso<br />
Disponibilida<strong>de</strong> do vapor <strong>de</strong>stinado ao consumo do chiller - Avapchiller<br />
Eficiência - εcald<br />
Chiller <strong>de</strong> Absorção<br />
1.147 kW<br />
757,8 kW<br />
389,2 kW<br />
57,5 %<br />
Tabela 5.11 – Resultados para os cálculos para o chiller <strong>de</strong> absorção pela Segunda Lei<br />
Disponibilida<strong>de</strong> da água gelada - Afrio<br />
Eficiência – εa<br />
Resultados - Parâmetros <strong>de</strong> Des<strong>em</strong>penho<br />
Tabela 5.12 – Parâmetros <strong>de</strong> <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho pela Segunda Lei<br />
βtrig<br />
σtrig<br />
AUFtrig<br />
FASRtrig<br />
Parâmetro Resultado<br />
0,4766<br />
0,00118<br />
0,3694<br />
0,01178<br />
1,87 kW<br />
0,48 %<br />
A baixa eficiência pela Segunda Lei do chiller <strong>de</strong> absorção ocorre porque o mesmo<br />
requer vapor a 212,4ºC para diminuir a t<strong>em</strong>peratura da água <strong>de</strong> climatização <strong>de</strong> 12,2
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 64<br />
para 6,67 ºC. Por este motivo atribui-se ao chiller o maior percentual <strong>de</strong> <strong>de</strong>gradação da<br />
disponibilida<strong>de</strong> do sist<strong>em</strong>a totalizando 99,5 %.<br />
5.3 Análise <strong>de</strong> sensibilida<strong>de</strong><br />
A fim <strong>de</strong> avaliar a viabilida<strong>de</strong> econômica do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração foram simulados seis<br />
cenários diferenciados por tópicos que serão relacionados a seguir:<br />
a) Equipamentos <strong>de</strong> geração energética do Hospital João XXIII<br />
Os equipamentos atualmente existentes no Hospital João XXIII estão para ser<strong>em</strong><br />
substituídos <strong>de</strong>vido ao baixo rendimento que estes apresentam e, também <strong>em</strong> função da<br />
dificulda<strong>de</strong> <strong>de</strong> mantê-los operando <strong>em</strong> condições i<strong>de</strong>ais com a proximida<strong>de</strong> do final da<br />
vida útil dos mesmos. A previsão <strong>de</strong> substituição dos chillers <strong>de</strong> compressão é para o<br />
início do ano <strong>de</strong> 2006 com valor estimado <strong>em</strong> R$ 1.000.000,00. As cal<strong>de</strong>iras vêm<br />
operando há 15 anos e para esta simulação financeira é previsto a substituição das<br />
mesmas <strong>em</strong> cinco anos, sendo consi<strong>de</strong>rado o valor unitário do equipamento <strong>em</strong><br />
R$ 525.250,00 (Matche, 2004).<br />
b) Custo <strong>de</strong> operação e manutenção atual<br />
A Tabela 5.13 representa os custos <strong>de</strong> operação e manutenção anual avaliados <strong>em</strong> março<br />
<strong>de</strong> 2005.<br />
Energia Elétrica<br />
Óleo BPF<br />
Funcionários<br />
Manutenção<br />
Parada<br />
(Cada 5 anos)<br />
Tabela 5.13 – Custos operacionais atuais<br />
Consumo Mensal<br />
332.200 kWh<br />
45.000 kg<br />
R$ 1.500,00/Funcionário<br />
2 % dos Equipamentos<br />
4 % dos Equipamentos<br />
Fonte: Pesquisa <strong>de</strong> campo (2005) e Coelho (2001)<br />
Custo anual<br />
R$ 816.273,31<br />
R$ 492.750,00<br />
R$ 126.342.45 (3 Funcionários)<br />
R$ 41.010,00<br />
R$ 82.020,00
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 65<br />
c) Financiamento<br />
No Brasil ainda não existe uma linha <strong>de</strong> financiamento do Banco Nacional <strong>de</strong><br />
Desenvolvimento Econômico e Social para compra <strong>de</strong> equipamentos <strong>de</strong>stinados à<br />
geração <strong>de</strong> energia.<br />
Desta forma, este estudo utiliza uma linha <strong>de</strong> crédito criada para incentivar o<br />
crescimento da indústria nacional, chamado FINAME. O FINAME é um programa<br />
especial <strong>de</strong> financiamento suportado pela Agência <strong>de</strong> Financiamento Industrial <strong>de</strong><br />
mesmo nome (FINAME) e pertencente ao BNDES. O objetivo do FINAME é apoiar a<br />
produção e comercialização <strong>de</strong> equipamentos nacionais novos cadastrados nessa<br />
agência. O financiamento é realizado <strong>em</strong> 60 meses, com 12 meses <strong>de</strong> carência para<br />
início <strong>de</strong> pagamento sob a Taxa <strong>de</strong> Juros a Longo Prazo, que é <strong>de</strong> aproximadamente<br />
1,2 % ao mês.<br />
d) Custo do Gás Natural<br />
O custo do gás natural e a sua disponibilida<strong>de</strong> próxima ao centro consumidor são fatores<br />
prepon<strong>de</strong>rantes para <strong>de</strong>terminação da viabilida<strong>de</strong> <strong>de</strong> um projeto <strong>de</strong> cogeração/<br />
trigeração. Atualmente no Estado <strong>de</strong> Minas Gerais não existe uma política <strong>de</strong> preços<br />
exclusiva para fins <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> energia. Em outros Estados, como o Rio <strong>de</strong> Janeiro, a<br />
companhia <strong>de</strong> gás natural possui uma política <strong>de</strong> preços diferenciada para alguns setores<br />
industriais e também para cogeração.<br />
Para esta simulação econômica foi utilizada a tarifa base do gás natural <strong>de</strong> R$ 0,6093<br />
por Nm 3 . Este valor se refere ao quanto a Companhia <strong>de</strong> Gás <strong>de</strong> Minas Gerais ven<strong>de</strong>ria<br />
a mesma quantida<strong>de</strong> <strong>de</strong>ste insumo energético a uma indústria para quaisquer finalida<strong>de</strong>s<br />
a pressão <strong>de</strong> 6 MPa. O cálculo do importe é realizado <strong>em</strong> uma previsão mensal <strong>de</strong><br />
consumo que para a configuração proposta é <strong>de</strong> 438.307 Nm 3 .<br />
e) Investimento <strong>em</strong> equipamentos para a trigeração<br />
Os investimentos previstos para aquisição dos equipamentos necessários para<br />
configuração do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração proposto estão relacionados na Tabela 5.14.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 66<br />
Tabela 5.14 – Custo do investimento para o sist<strong>em</strong>a proposto<br />
Turbina a Gás<br />
Equipamento Valor (US$)<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção<br />
Total<br />
$1.033.500<br />
$310.050<br />
$270.000<br />
$1.613.550<br />
A Tabela 5.15 t<strong>em</strong> como finalida<strong>de</strong> referenciar o custo do investimento <strong>em</strong><br />
equipamentos padronizados usados na trigeração.<br />
Tabela 5.15 – Custo <strong>de</strong> investimento <strong>em</strong> equipamentos para trigeração<br />
Equipamento Custo (US$/kW)<br />
Turbina a gás 500 – 850<br />
Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> Recuperação <strong>de</strong> calor 90 – 210<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong> simples efeito Água-BrLi 199 - 210<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong> duplo efeito Água-BrLi 213 - 223<br />
Chiller <strong>de</strong> absorção <strong>de</strong> Água-NH3<br />
285 – 398<br />
Chiller <strong>de</strong> compressão 270 - 300<br />
Fontes: Dhamadhikari (2000), Trig<strong>em</strong>ed (2004) e Matche (2004).<br />
Para concretização do custo total do investimento <strong>de</strong>v<strong>em</strong>-se somar ao valor dos<br />
equipamentos as seguintes taxas e custos (Coelho, 2001):<br />
• Taxas <strong>de</strong> importação – 5 %;<br />
• Custos <strong>de</strong> transporte – 5 %;<br />
• Construção civil – 3 %;<br />
• Custo <strong>de</strong> Start up – 2 %;<br />
• Sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> distribuição, proteção e cabos elétricos – 4 %;<br />
• Painéis elétricos – 2 %.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 67<br />
f) Custos <strong>de</strong> operação após a instalação da trigeração<br />
A Tabela 5.16 representa os dados referentes à simulação dos custos operacionais após a<br />
instalação do sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração.<br />
Gás Natural<br />
Funcionários<br />
Manutenção<br />
Parada<br />
(Cada 5 anos)<br />
Tabela 5.16 – Custos operacionais do sist<strong>em</strong>a proposto<br />
Consumo Mensal<br />
438.307 Nm 3<br />
R$ 2.000,00/Funcionário<br />
2 % Equipamentos<br />
4 % Equipamentos<br />
g) Exce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> energia elétrica produzida<br />
Custo anual<br />
R$ 3.249.237,02<br />
R$ 224.608,80 (4 Funcionários)<br />
R$ 80.660,40<br />
R$ 161.320,80<br />
Conforme apresentado anteriormente, a <strong>de</strong>manda <strong>de</strong> energia elétrica no Hospital João<br />
XXIII na nova configuração energética passou a ser <strong>de</strong> 410 kW. Assim, há um<br />
exce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> potência elétrica disponível na or<strong>de</strong>m <strong>de</strong> 1.180 kW. Nesta simulação está<br />
sendo previsto a sua comercialização para a C<strong>em</strong>ig. Entretanto, exist<strong>em</strong> outras formas<br />
<strong>de</strong> se utilizar este exce<strong>de</strong>nte, como por ex<strong>em</strong>plo, suprindo os hospitais da re<strong>de</strong> pública<br />
<strong>de</strong> saú<strong>de</strong> que estão localizados próximos ao Hospital João XXIII, como o Centro Geral<br />
<strong>de</strong> Pediatria, o S<strong>em</strong>per e o Hospital da Previdência.<br />
Consi<strong>de</strong>rando o valor <strong>de</strong> R$104,71 para cada 1.000 kWh na comercialização da energia<br />
exce<strong>de</strong>nte, este sist<strong>em</strong>a ao operar 24 horas por dia e 365 dias por ano produziria uma<br />
receita anual <strong>de</strong> R$ 1.006.600,00. O valor consi<strong>de</strong>rado para venda da energia é o mesmo<br />
que o hospital paga junto à concessionária no horário fora da ponta. Para o horário <strong>de</strong><br />
ponta o valor da energia é <strong>de</strong> R$ 212,93 por 1.000 kWh (Conta <strong>de</strong> energia,<br />
Março/2005).<br />
Um fator importante a ser observado é que com a disponibilização <strong>de</strong> energia nos<br />
gran<strong>de</strong>s centros urbanos cria uma marg<strong>em</strong> para melhorias nas instalações existentes,<br />
investimentos <strong>em</strong> espaços sociais e culturais, sendo que, normalmente, as subestações<br />
localizadas nestes não possu<strong>em</strong> espaço físico para expansões.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 68<br />
As Figuras 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 e 5.9 representam as curvas referentes aos valores do<br />
investimento acumulado no período <strong>de</strong> 30 anos, tendo como base os dados acima<br />
apresentados nos cenário abaixo:<br />
Cenário 1<br />
• Gás Natural: R$ 0,6093 por Nm 3 ;<br />
• Taxa <strong>de</strong> atrativida<strong>de</strong> do mercado financeiro: 1,2 % ao mês.<br />
Acumulado<br />
2.000.000<br />
0<br />
-2.000.000<br />
-4.000.000<br />
-6.000.000<br />
-8.000.000<br />
-10.000.000<br />
-12.000.000<br />
Cenário 1<br />
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29<br />
Ano<br />
Figura 5.5 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 1<br />
No Cenário 1 observa-se que a comparação entre o investimento no sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong><br />
trigeração com uma aplicação no mercado financeiro por um investidor, a uma taxa <strong>de</strong><br />
atrativida<strong>de</strong> <strong>de</strong> 1,2 %, não é conveniente. O elevado custo da tarifa do gás natural,<br />
praticado s<strong>em</strong> uma política <strong>de</strong> incentivos à cogeração, associado ao baixo custo da<br />
energia elétrica contribu<strong>em</strong> negativamente para o retorno <strong>de</strong>ste investimento.<br />
Cenário 2<br />
• Gás Natural: R$ 0,4265 por Nm 3 ;<br />
• Taxa <strong>de</strong> atrativida<strong>de</strong> do mercado financeiro: 1,2 % ao mês.<br />
Para o Cenário 2 foi consi<strong>de</strong>rado um <strong>de</strong>sconto <strong>de</strong> 30% sobre o valor tarifa praticado<br />
pela Gasmig ao fornecer a mesma quantida<strong>de</strong> gás para uma indústria. Nesta
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 69<br />
configuração o investimento ainda não é viável, porém há uma diminuição significativa<br />
<strong>em</strong> relação aos valores apresentados no Cenário 1.<br />
Acumulado<br />
Cenário 3<br />
200.000<br />
0<br />
-200.000<br />
-400.000<br />
-600.000<br />
-800.000<br />
-1.000.000<br />
-1.200.000<br />
Cenário 2<br />
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29<br />
Ano<br />
Figura 5.6 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 2<br />
• Gás Natural: R$ 0,30465 por Nm 3 ;<br />
• Taxa <strong>de</strong> atrativida<strong>de</strong> do mercado financeiro: 1,2 % ao mês.<br />
Uma redução <strong>de</strong> 50 % no custo da tarifa <strong>de</strong> gás natural foi proposta no Cenário 3 e o<br />
investimento passou a ser pagar após 29 anos <strong>de</strong> operação. Entretanto, o t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> vida<br />
útil estimado para os equipamentos utilizados nesta configuração é <strong>de</strong> 20 anos<br />
(Trig<strong>em</strong>ed, 2004).
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 70<br />
Acumulado<br />
Cenário 4<br />
500.000<br />
0<br />
-500.000<br />
-1.000.000<br />
-1.500.000<br />
-2.000.000<br />
-2.500.000<br />
Cenário 3<br />
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29<br />
Ano<br />
Figura 5.7 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 3<br />
• Gás Natural: R$ 0,30465 por Nm 3 ;<br />
• Taxa <strong>de</strong> atrativida<strong>de</strong> do mercado financeiro: Desconsi<strong>de</strong>rada.<br />
Acumulado<br />
15.000.000<br />
10.000.000<br />
5.000.000<br />
0<br />
-5.000.000<br />
Cenário 4<br />
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29<br />
Ano<br />
Figura 5.8 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 4<br />
Para este cenário não foi consi<strong>de</strong>rada a taxa <strong>de</strong> atrativida<strong>de</strong> do mercado financeiro por<br />
se tratar <strong>de</strong> um possível investimento compulsório da concessionária <strong>de</strong> energia elétrica.<br />
Pela legislação do setor elétrico as concessionárias <strong>de</strong> energia elétrica <strong>de</strong>v<strong>em</strong><br />
disponibilizar 0,25 % do seu faturamento <strong>em</strong> treinamento e investimentos <strong>em</strong> clientes.
<strong>Capítulo</strong> 5 – Estudo <strong>de</strong> Caso Aplicado ao Hospital João XXIII e Análise dos resultados 71<br />
O Cenário 4 apresenta o t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> retorno do investimento <strong>em</strong> 8 e seis meses,<br />
consi<strong>de</strong>rando os mesmos 50% <strong>de</strong> <strong>de</strong>sconto sobre a tarifa do gás natural.<br />
Cenário 5<br />
• Gás Natural: R$ 0,3591 por Nm 3 ;<br />
• Taxa <strong>de</strong> atrativida<strong>de</strong> do mercado financeiro: Desconsi<strong>de</strong>rada.<br />
Valor Acumulado<br />
15.000.000,00<br />
10.000.000,00<br />
5.000.000,00<br />
-<br />
(5.000.000,00)<br />
Cenário 5<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32<br />
Ano<br />
Figura 5.9 – Curva <strong>de</strong> retorno do investimento para o Cenário 5<br />
O Cenário 5 propõe uma configuração utilizando o custo da tarifa <strong>de</strong> gás natural com<br />
um incentivo real, praticado pela CEG Rio ao segmento industrial barrilhista do Estado<br />
do Rio <strong>de</strong> Janeiro. Além <strong>de</strong>ste setor industrial, os segmentos industrial salineiro e<br />
ceramista também possu<strong>em</strong> benefícios para a compra do gás natural com tarifas<br />
reduzidas.<br />
Este cenário foi proposto com o intuito <strong>de</strong> <strong>de</strong>monstrar que é possível conce<strong>de</strong>r<br />
benefícios econômicos para incentivar a cogeração/trigeração no Brasil.
<strong>Capítulo</strong> 6<br />
CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS<br />
Neste trabalho foi <strong>de</strong>senvolvida uma proposta metodológica <strong>de</strong> análise do <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho<br />
energético e econômico <strong>de</strong> sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração.<br />
O <strong>de</strong>senvolvimento <strong>de</strong> um banco <strong>de</strong> dados com informações técnicas referentes aos<br />
principais equipamentos utilizados na cogeração/trigeração e a i<strong>de</strong>ntificação das<br />
equações <strong>de</strong> avaliação energética e exergética dos mesmos foram base <strong>de</strong> sustentação<br />
para este trabalho.<br />
A metodologia <strong>de</strong>scrita no <strong>Capítulo</strong> 3 foi automatizada <strong>em</strong> um programa computacional<br />
<strong>em</strong> EES com a finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> i<strong>de</strong>ntificar <strong>de</strong> forma rápida e segura o <strong>de</strong>s<strong>em</strong>penho <strong>de</strong> um<br />
sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração composto por turbina a gás, cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação e chiller <strong>de</strong><br />
absorção.<br />
O estudo <strong>de</strong> caso realizado no <strong>Capítulo</strong> 5 possibilitou a validação <strong>de</strong>sta metodologia <strong>em</strong><br />
uma instituição do setor terciário da economia. Neste estudo, foi simulada a<br />
configuração <strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a energético com foco no atendimento da <strong>de</strong>manda térmica.<br />
Esta simulação apresentou resultados satisfatórios no que tange aos conceitos<br />
termodinâmicos <strong>de</strong> eficiência, suprindo todas as necessida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> energia térmica e<br />
elétrica da instituição, além <strong>de</strong> apresentar um exce<strong>de</strong>nte <strong>de</strong> geração <strong>de</strong> eletricida<strong>de</strong>. A<br />
configuração proposta apresentou eficiência energética <strong>de</strong> 77,5 %, exergética <strong>de</strong> 36,9 %<br />
e, se os resultados obtidos com a trigeração foss<strong>em</strong> comparados à mesma produção<br />
energética obtida por sist<strong>em</strong>as convencionais operando <strong>em</strong> separado, haveria uma<br />
redução no consumo <strong>de</strong> combustível <strong>de</strong> 36,4 %.<br />
Entretanto, a inexistência <strong>de</strong> uma política <strong>de</strong> incentivos à produção energética por<br />
cogeração no Estado <strong>de</strong> Minas Gerais acarreta um alto custo da tarifa do combustível,<br />
72
<strong>Capítulo</strong> 6 – Conclusões e consi<strong>de</strong>rações finais 73<br />
fazendo com que quaisquer investimentos <strong>de</strong>sta natureza se torn<strong>em</strong> inviáveis na<br />
condição atual.<br />
Assim, foram criados cenários econômicos com a finalida<strong>de</strong> <strong>de</strong> auxiliar na possível<br />
elaboração <strong>de</strong> uma política tarifária exclusiva para o segmento hospitalar. Através dos<br />
resultados obtidos, conclui-se que há necessida<strong>de</strong> <strong>de</strong> redução <strong>de</strong> 50 % sobre o valor da<br />
tarifa que é praticada atualmente para o setor industrial com anulação da taxa <strong>de</strong><br />
atrativida<strong>de</strong> do mercado. Tal nível <strong>de</strong> redução tarifária para sist<strong>em</strong>as <strong>de</strong> trigeração,<br />
reduziria o t<strong>em</strong>po <strong>de</strong> retorno do investimento para aproximadamente 8 anos.<br />
Como sugestão para trabalhos futuros fica a proposta <strong>de</strong> elaboração da análise termoeconômica<br />
<strong>de</strong> um sist<strong>em</strong>a <strong>de</strong> trigeração composto por motor a gás, cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong><br />
recuperação com queima auxiliar e chiller <strong>de</strong> absorção.
Bibliografia Citada<br />
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78
Apêndice A<br />
BANCO DE DADOS DAS TURBINAS A GÁS<br />
Tabela A.1 - Dados técnicos e econômicos das turbinas a gás<br />
Fabricante Mo<strong>de</strong>lo Eficiência (%) Potência<br />
ISO (kW)<br />
Rel.<br />
pressão<br />
Vazão <strong>de</strong> gás<br />
(kg/s)<br />
T<strong>em</strong>p.<br />
Exaustão (ºC)<br />
Preço (US$)<br />
Kawasaki Heavy Industries S1A-02 25,00 222 9 1,81 520 $182.040<br />
Pratt & Whitney Canada ST5 Recuperated 32,70-34,40 395 - 2,22-2,37 365-372 $323.900<br />
Kawasaki Heavy Industries S1T-02 25,00 430 9 3,54 520 $352.600<br />
Pratt & Whitney Canada ST5 Simple Cycle 23,50-24,60 457 - 2,30-2,46 587-630 $374.740<br />
Pratt & Whitney Canada ST6L-721 23,40-23,80 508 6,6 3-3,09 514-541 $416.560<br />
Vericor ASE8-1000 22,10 548 10,6 3,58 493,1 $385.244<br />
Volvo Aero VT600 24,70 635 8,9 3,58 538 $520.700<br />
Kawasaki Heavy Industries S2A-01 24,70 646 8,5 5,03 474 $529.720<br />
Pratt & Whitney Canada ST6L-795 24,70-24,80 678 7,4 3,24-3,31 589-621 $555.960<br />
Pratt & Whitney Canada ST6L-813 26,00-26,50 848 8,5 3,92-4,04 566-588 $677.552<br />
Turbomeca Makila TI 27,10 1050 9,6 5,44 505 $879.900<br />
79
Banco <strong>de</strong> Dados das Turbinas a Gás 80<br />
Fabricante Mo<strong>de</strong>lo<br />
Eficiência<br />
(%)<br />
Potência<br />
ISO (kW)<br />
Rel.<br />
pressão<br />
Vazão <strong>de</strong> gás<br />
(kg/s)<br />
T<strong>em</strong>p. Exaustão<br />
(ºC)<br />
Preço<br />
(US$/kW)<br />
Preço (US$)<br />
Mitsui E & S SB5 27,60 1080 10 4,99 492 779 $841.320<br />
Motor Sich-Progress TB3-137 27,60 1100 7,5 7,3 421 779 $856.900<br />
Ishikawajima-Harima Heavy Ind. IM150 27,60 1100 9,4 5,44 486,1 779 $856.900<br />
Pratt & Whitney Canada ST6L-90 28,0-28,50 1175 10,4 5,17-5,34 536-565 779 $915.325<br />
Tuma Turbomach TBM-S20 28,00 1204 6,7 6,53 507 779 $937.916<br />
Solar Turbines Saturn 20 24,30 1210 6,8 6,53 504,4 558 $675.180<br />
Kawasaki Heavy Industries M1A-01 25,00 1218 8 8,12 515 779 $948.822<br />
Kawasaki Heavy Industries M1A-11 24,30 1235 9,3 8,16 463 558 $689.130<br />
Kawasaki Heavy Industries M1A-03 25,00 1433 8,8 9,25 550 738 $1.057.554<br />
Dresser-Rand KG2-3C 15,80 1450 3,9 12,79 570 738 $1.070.100<br />
Kawasaki Heavy Industries M1A-13 24,00 1473 9,4 8,12 518 638 $939.774<br />
Kawasaki Heavy Industries M1A-13D 24,00 1473 9,5 7,98 529 638 $939.774<br />
Kawasaki Heavy Industries M1A-06 25,00 1527 8,8 9,39 550 738 $1.126.926<br />
OPRA Optimal Radial Turbine OP-16S1A 24,00 1590 6,6 8,53 565 638 $1.014.420<br />
OPRA Optimal Radial Turbine OP-16S2A 24,00 1720 6,7 8,53 585 638 $1.097.360<br />
Ishikawajima-Harima Heavy Ind. IM270 24,00 1800 12,2 9,66 517,2 638 $1.148.400
Banco <strong>de</strong> Dados das Turbinas a Gás 81<br />
Fabricante Mo<strong>de</strong>lo<br />
Eficiência<br />
(%)<br />
Potência<br />
ISO (kW)<br />
Rel.<br />
pressão<br />
Vazão <strong>de</strong><br />
gás (kg/s)<br />
T<strong>em</strong>p.<br />
Exaustão (ºC)<br />
Preço<br />
(US$/kW)<br />
Preço (US$)<br />
Dresser-Rand KG2-3E 16,20 1830 4,7 14,97 550 656 $1.200.480<br />
Pratt & Whitney Canada ST18A 30,2-31,20 1961 14 7,97-8,40 532-559 611 $1.198.171<br />
Kawasaki Heavy Ind. M1A-23 25,00 2043 11,3 9,71 570 600 $1.225.800<br />
Kawasaki Heavy Ind. M1T-01 25,00 2292 8 16,24 515 600 $1.375.200<br />
Kawasaki Heavy Ind. M1A-13CC(Steam) 25,00 2299 8,9 8,48 590 600 $1.379.400<br />
Turbomeca Eurodyn 25,00 2370 18 11,48 460 600 $1.422.000<br />
Aviadvigatel GTU-2.5P 25,00 2500 5,8 24,35 378 600 $1.500.000<br />
Motor Sich-Progress AI-20DMHch 25,00 2500 9 19,37 520 600 $1.500.000<br />
Centrax Gas Turbine CX501-KB3 25,00 2682 8,1 12,84 566 600 $1.609.200<br />
Fonte: Gas Tubine World Handbook (2000-2001)
Fabricante<br />
Mo<strong>de</strong>lo<br />
Apêndice B<br />
BANCO DE DADOS DOS CHILLERS DE ABSORÇÃO<br />
Tabela B.1 – Dados técnicos dos chillers <strong>de</strong> absorção<br />
Capacida<strong>de</strong><br />
(kW)<br />
COP<br />
Efeito<br />
82<br />
Razão <strong>de</strong> vapor<br />
(kg/kWh)<br />
Vazão <strong>de</strong> água<br />
Gelada (m 3 /h)<br />
Preço (US $)<br />
Trane 112 380 0,63 Simples 2,60 58,6 $75.620<br />
Trane 129 444 0,63 Simples 2,60 68,6 $88.356<br />
Trane 148 515 0,63 Simples 2,60 79,5 $102.485<br />
Trane 174 572 0,64 Simples 2,55 88,3 $113.828<br />
Trane 200 663 0,64 Simples 2,55 102,4 $131.937<br />
Trane 228 770 0,64 Simples 2,55 118,9 $153.230<br />
Trane 256 868 0,64 Simples 2,55 133,9 $172.732<br />
Trane 294 1011 0,64 Simples 2,55 155,9 $201.189<br />
Trane 354 1190 0,61 Simples 2,68 183,6 $236.810<br />
Trane 385 1294 0,64 Simples 2,53 199,8 $257.506<br />
Trane 420 1402 0,64 Simples 2,53 216,6 $278.998<br />
Trane 465 1562 0,64 Simples 2,55 241,3 $310.838
Apêndice B – Banco <strong>de</strong> Dados dos Chillers <strong>de</strong> Absorção 83<br />
Fabricante<br />
Mo<strong>de</strong>lo<br />
Capacida<strong>de</strong><br />
(kW)<br />
COP<br />
Efeito<br />
Razão <strong>de</strong> vapor<br />
(kg/kWh)<br />
Vazão <strong>de</strong> água<br />
Gelada (m 3 /h)<br />
Preço (US $)<br />
Trane ABTF-380 1.266 1,20 Duplo 1,25 196 $269.658<br />
Trane ABTF-440 1.498 1,21 Duplo 1,25 231 $319.074<br />
Trane ABTF-500 1.734 1,21 Duplo 1,24 268 $369.342<br />
Trane ABTF-575 1.963 1,21 Duplo 1,24 303 $418.119<br />
Trane ABTF-660 2.318 1,22 Duplo 1,24 358 $493.734<br />
Trane ABTF-750 2.691 1,21 Duplo 1,24 416 $573.183<br />
Trane ABTF-850 3.218 1,23 Duplo 1,23 497 $685.434<br />
Trane ABTF-950 3.623 1.23 Duplo 1,23 559 $771.699<br />
Trane ABTF-1050 4.027 1.24 Duplo 1,22 621 $857.751<br />
Trane ABTF-1150 4.428 1.24 Duplo 1,22 684 $943.164<br />
Trane ABTF-1200 4.446 1,19 Duplo 1,27 686 $946.998<br />
Trane ABTF-1350 4.991 1,19 Duplo 1,27 770 $1.063.083<br />
Trane ABTF-1500 5.533 1,19 Duplo 1,27 854 $1.178.529<br />
Trane ABTF-1650 6.053 1,20 Duplo 1,26 934 $1.289.289
On<strong>de</strong>,<br />
m .<br />
Apêndice C<br />
CÁLCULO DAS EFICIÊNCIAS DOS EQUIPAMENTOS<br />
EXISTENTES NO HOSPITAL JOÃO XXIII<br />
a) Eficiência pela Primeira Lei da Termodinâmica da Cal<strong>de</strong>ira Flamotubular<br />
η<br />
m<br />
=<br />
m<br />
vapor<br />
cald .<br />
.<br />
óleo<br />
84<br />
x(<br />
h − h )<br />
s<br />
xPCI<br />
vapor é representado pelo vazão média estimada <strong>de</strong> 0,4167 kg/s, hs é dado <strong>em</strong> função<br />
do vapor saturado à 180 ºC, he , <strong>em</strong> função da água líquida comprimida à 90 ºC e a<br />
m óleo<br />
.<br />
é<br />
igual ao consumo médio horário <strong>de</strong> 0,0298 kg/s. O PCI do óleo 1A é 40.540 kJ/kg.<br />
Assim:<br />
η<br />
cald<br />
0,<br />
4167x(<br />
2778 − 376,<br />
9)<br />
=<br />
0,<br />
0298x40.<br />
540<br />
η cald<br />
= 55,<br />
2%<br />
b) Eficiência pela Segunda Lei da Termodinâmica da Cal<strong>de</strong>ira <strong>de</strong> recuperação<br />
cald<br />
mvapor ( af e − af<br />
= .<br />
mOleo<br />
( af )<br />
Composição do óleo BPF (1A). Percentual <strong>em</strong> peso.<br />
Carbono = 81,9 %<br />
ε<br />
.<br />
óleo<br />
e<br />
i<br />
)
Apêndice C – Cálculo das eficiências dos equipamentos existentes no hospital João XXIII 85<br />
H2 = 11,1 %<br />
S = 5,0 %<br />
H2O =2,0 %<br />
Po<strong>de</strong>r Calorífico Inferior do Óleo - PCI = 40540 kJ/kg<br />
a ch<br />
f<br />
a ch<br />
f<br />
( T0<br />
, P0<br />
)<br />
⎛ H ⎞ ⎛ O ⎞ ⎛ S ⎞⎛<br />
⎛ H ⎞⎞<br />
= 1,<br />
034 + 0,<br />
0013⎜<br />
⎟ + 0,<br />
0756⎜<br />
⎟ + 1,<br />
5960⎜<br />
⎟⎜1−<br />
0,<br />
0145⎜<br />
⎟⎟<br />
PCI<br />
⎝ C ⎠ ⎝ C ⎠ ⎝ C ⎠⎝<br />
⎝ C ⎠⎠<br />
( T0<br />
, P0<br />
)<br />
⎛ 0,<br />
111 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0,<br />
05 ⎞⎛<br />
⎛ 0,<br />
111 ⎞⎞<br />
= 1,<br />
034 + 0,<br />
0013⎜<br />
⎟ + 0,<br />
0756⎜<br />
⎟ + 1,<br />
5960⎜<br />
⎟ ⎜<br />
⎜1−<br />
0,<br />
0145⎜<br />
⎟ ⎟<br />
40540<br />
⎝ 0,<br />
819 ⎠ ⎝ 0,<br />
819 ⎠ ⎝ 0,<br />
819 ⎠⎝<br />
⎝ 0,<br />
819 ⎠⎠<br />
a<br />
fe − a fi<br />
a ch<br />
f<br />
= 45867,<br />
8<br />
kJ<br />
kg<br />
a − a = h − h ) − T ( s − s )<br />
fe<br />
fi<br />
( e i 0 e i<br />
= ( 2778 − 376,<br />
9)<br />
− 298(<br />
6,<br />
586 −1,<br />
192)<br />
a fe − a fi<br />
cald = ε<br />
0,<br />
0298<br />
= 793,<br />
69<br />
0,<br />
4167<br />
ε cald<br />
x<br />
x<br />
kJ<br />
kg<br />
( 793,<br />
69)<br />
( 45867,<br />
8)<br />
= 24,<br />
2%<br />
Obs: Cálculo baseado no <strong>Capítulo</strong> 6 do livro do Applied Thermodynamics : Availability<br />
Method and Energy Conversion (Li, 1996)<br />
c) Coeficiente <strong>de</strong> Des<strong>em</strong>penho do Chiller <strong>de</strong> compressão<br />
COP =<br />
P<br />
P<br />
útil<br />
610,<br />
3<br />
COP =<br />
425<br />
fornecida<br />
COP<br />
= 1,<br />
44<br />
kW<br />
kW
Anexo 1<br />
PROGRAMA COMPUTACIONAL TRIGERATG<br />
86