Princípio de funcionamento

O microgerador apresentado pode ser definido por três etapas de operação: a admissão, a combustão e a exaustão. Na admissão, o ar ambiente entra no compressor, que converte a quantidade de movimento presente nas pás do rotor para o ar. Após passar pelo compressor, o ar chega à câmara de combustão, onde é misturado a um combustível específico. Essa mistura é, posteriormente, queimada e ganha entalpia. O resultado da combustão é então direcionado para a turbina, onde a energia do fluido é convertida em torque para o gerador e o compressor.

Infelizmente, a turbina não consegue aproveitar toda a energia disponível no fluido de exaustão e a energia térmica/cinética remanescente é dissipada por uma chaminé. Uma possível solução é reaproveitar o calor dos gases de exaustão, através de um recuperador. Nessas condições, o ar comprimido pelo compressor passa por um trocador de calor com os gases de exaustão recebendo a energia não aproveitada pela turbina. Essa estratégia aumenta a eficiência de combustão, já que reduz a quantidade de energia necessária para atingir a temperatura de operação. Todo esse processo pode ser observado na Figura 3.1.

Mesmo com a utilização de um recuperador, o gás ainda detém uma grande quantidade de energia que pode ser reaproveitada. A adoção de outro trocador de calor pós-recuperador permite a utilização de sua energia térmica em outros processos, que podem ser definidos entre um Ciclo Combinado ou uma Co-geração.

Figura 3.3 – Principais fabricantes de microturbinas no mundo. Em ordem decrescente de participação no mercado: Capstone, Turbec, Cosic, FlexEnergy.

Quase todas as microturbinas operam com esses sistemas, uma vez que estes promovem um aumento da eficiência de conversão térmica para valores superiores a 70%.

Se o sistema for utilizado em um Ciclo Combinado, a energia pode ser aproveitada em estações de calefação, no aquecimento de qualquer processo industrial, na refrigeração e em diversos outros processos. Já na Co-geração, os gases de escape podem ser utilizados em caldeiras de turbinas a vapor e em usinas de geração solar por fluido, ou seja, qualquer sistema de geração que necessite de um fluido aquecido.

Esse sistema, no entanto, apresenta uma importante singularidade, que é reco- nhecida na operação do compressor e do queimador. Em linhas gerais, a combustão só acontecerá se o ar estiver comprimido, contudo, o compressor só funcionará se a turbina for acionada. Dessa forma, uma fonte externa de energia deve ser introduzida para promover o início do ciclo, e depois mantida até sua estabilização. Esse acionamento inicial pode ser realizado pelo gerador elétrico, funcionando como motor, para fornecer o torque ao compressor até que a câmara de combustão atinja o regime permanente de operação. Esse

sistema também não suporta grandes variações de carga ou de combustível, necessitando de um bom controle de injeção de combustível para garantir que o queimador não apague e que o inicio de ciclo não precise ser repetido.

3.4 Turbocompressores

O turbocompressor é um conjunto de turbina e compressor geralmente empregado em motores de combustão interna, para melhorar a eficiência volumétrica e o consumo de combustível. Atualmente, é possível encontrar esse sistema em automóveis, em caminhões, em veículos de competição e, até mesmo, em pequenos barcos. Essa variedade de aplicações para os turbocompressores proporciona uma grande oferta e uma considerável redução de preços.

Como alternativa à aquisição de um dos muitos conjuntos de turbina e compressor disponíveis na indústria automotiva, pode-se empregar um rotor de turbina de um conjunto e um rotor de compressor de outro, casando diferentes mapas de operação para se obter resultados específicos.

No entanto, o casamento de peças de turbocompressores diferentes não é simples, uma vez que o conjunto é desmontado, ele perde naturalmente o seu balanceamento se não for identicamente remontado ou rebalanceado. Além disso, cuidados especiais devem ser tomados tanto na montagem quanto na desmontagem do turbocompressor, para que microfraturas no eixo, no mancal e na sede possam ser evitadas. Os processos de fabricação precisam ser conduzidos com precisão, a qualidade dos materiais fundidos deve ser assegurada e deve existir um rígido controle de qualidade. Isso significa que juntar algumas peças não é garantia de operação devida nem de repetibilidade de resultados.

Em 2005, foi iniciado um grupo de pesquisa para investigar as possibilidades desse sistema, principalmente a de gerar energia através de turbocompressores. Em 2007, foi consolidada uma bancada de ensaios e testes de turbocompressores automotivos (VENSON, 2007), para levantamento de mapas e caracterização de conjuntos. Essa bancada se encontra em operação no Centro de Tecnologia da Mobilidade − CTM na Escola de Engenharia da UFMG.

O principal objetivo deste trabalho é produzir uma microturbina que seja simples, robusta e principalmente barata. Dada a semelhança entre uma microturbina e um turbocompressor automotivo, e a grande disponibilidade de turbos no mercado, uma opção muito atraente é adotar, no sistema do projeto, componentes dos turbocompressores automotivos. Dessa forma, o projeto de rotores dos compressores e da turbina, incluindo mancais e materiais, deixam de ser o principal enfoque do trabalho, dando lugar, assim, a uma exploração de estudo mais detalhado que envolva o gerador elétrico e seu acionamento fluidodinâmico.

O principal componente de um turbocompressor automotivo é a turbina radial, responsável por converter a energia cinética do fluido em torque para o compressor. Para garantir seu funcionamento com o gerador elétrico e permitir que o turbocompressor opere como uma microturbina, existem duas topologias básicas de operação.

A primeira alternativa considera acoplar solidamente o turbocompressor ao gerador elétrico, seja compartilhando o mesmo eixo ou através de algum acoplamento direto entre eixos. Essas soluções são as mais confiáveis e mais eficientes, por possuírem apenas uma peça rotativa.

Quando o eixo não opera solidário aos três equipamentos, pode-se promover um acoplamento fluidodinâmico entre o turbocompressor e o gerador. Essa solução é utilizada para que ocorra uma redução de velocidade permitindo a conexão de geradores elétricos comerciais ao sistema. Essa topologia é conhecida como Split-Shaft (FARIA, 2009), é mais onerosa e necessita de frequente manutenção, o que reduz sua confiabilidade e eficiência, se comparada ao acoplamento direto.

O acoplamento fluidodinâmico pode ser promovido de duas formas distintas: através de uma caixa de transmissão fluida ou utilizando dois conjuntos turbocompressores. Na primeira situação, o turbocompressor é acoplado no lado de alta rotação, e o gerador elétrico no lado de baixa rotação. Para o segundo caso, é montado um sistema com duas turbinas em série ou paralelo, onde uma turbina aciona um compressor e outra turbina aciona o gerador.