Sistema fechado seco

O sistema fechado seco é resfriado por convecção e radiação, dependendo apenas da temperatura de bulbo seco (BLACK & VEATCH, 1996), podendo ser classificado em sistema seco direto ou sistema seco indireto. A principal vantagem do sistema seco é a substituição da água por ar como fluido de trabalho do sistema de resfriamento. Assim, como não há transferência de massa no resfriamento, não há perdas de água, não sendo necessária a vazão de reposição. Além dessa, tem-se como vantagem (SPX DRY COOLING, 2017):

 Flexibilidade na escolha da localização da planta, em relação à necessidade de estar próxima a corpos hídricos e/ou locais sem restrições hídricas;

 Aumento da vida útil dos equipamentos, devido à redução ou eliminação de problemas decorrentes do uso de água, como corrosão e incrustação;

 Redução dos custos de operação e manutenção na central termelétrica;  Redução do tempo de entrada em operação para as termelétricas.

No entanto, o sistema seco apresenta algumas desvantagens, como maior custo de instalação e operação, além de reduzir a eficiência térmica da termelétrica. O sistema seco possui custos iniciais maiores, pois, de acordo com IAEA (2012):

 A transferência de calor é menos eficiente comparada ao sistema úmido, devido às propriedades termodinâmicas da água em comparação ao ar, tais como alto calor específico da água (4,2 J/g.°C) e alto calor de vaporização da água (2260 J/g) (US DEPARTMENT OF ENERGY, 2014).

 A redução de cerca de 2% na geração de eletricidade anualmente.

 O sistema seco necessita de uma área de contato maior para aumentar a eficiência da transferência de calor, resultando na necessidade de equipamentos maiores;

 Em locais quentes, principalmente em países tropicais, as temperaturas mínimas que ocorrem no verão não são baixas o suficiente para que o resfriamento ocorra de maneira eficiente, reduzindo a eficiência térmica da central termelétrica.

3.3.1. Sistema seco direto

No sistema direto, o vapor expandido na turbina é resfriado diretamente num condensador a ar (ACC, air cooled condenser) cuja tubulação é aletada para aumentar a transferência de calor com o ar (IAEA, 2012). A tubulação na saída da turbina possui o arranjo em formato de A, com ventiladores abaixo dos tubos, para aumentar a velocidade do ar e, consequentemente, a convecção forçada no sistema. O vapor condensado é armazenado num tanque e, em seguida, retorna ao ciclo da turbina (HAVEY, 2008), como é apresentado na Figura 3.11.

Figura 3.11. Sistema seco direto com condensador a ar. Fonte: Adaptado de HUNWICK, 2011

As vantagens do sistema seco direto sobre o sistema úmido são: eliminação do uso de água de resfriamento; resistência à corrosão e ao frio; menor consumo de energia elétrica pelos ventiladores; e, diminuição do tempo de obtenção de licenças de operação (SPX DRY COOLING, 2017). Em relação ao sistema indireto, a vantagens é o menor custo de instalação devido à retirada de uma série de equipamentos sistema de resfriamento (BLACK & VEATCH, 1996).

Como desvantagens, tem-se que: a tubulação entre a turbina e o ACC possui um grande diâmetro, como pode ser visto na Figura 3.11. Além disso, o ACC deve se localizar próximo ao prédio da turbina para minimizar a queda de pressão do vapor. Também, a pressão de operação do condensador é alta, além do sistema ser ruidoso (BLACK & VEATCH, 1996).

Em centrais com ciclo combinado, o investimento inicial do sistema seco direto, em comparação ao sistema com torres de resfriamento úmida, é entre de 4,5 vezes maior (para lugares quentes e áridos) a 3,5 vezes maior (para lugares de clima moderado) (BERKENPAS et al., 2009). Além disso, o sistema necessita uma área muito maior que do sistema de resfriamento úmido, sendo 2,2 vezes maior que uma torre de resfriamento úmida e 1,9 vezes mais alto (IAEA, 2012).

A Figura 3.12 a) a Valley Energy Center em Wawayanda, Nova Iorque, 680 MW com ciclo combinado com operação comercial prevista para fevereiro de 2018 (COMPETITIVE POWER VENTURES, 2017). A Figura 3.12 b) apresenta uma central na Turquia, com 775 MW, ciclo combinado e em operação desde 2009 (METKA, 2018).

a) b)

Figura 3.12. a) Valley Energy Center em Wawayanda, Nova Iorque. b) Central na Turquia. Fonte: ENEXIO (2018c).

3.3.2. Sistema seco indireto

No sistema indireto, o condensador da central termelétrica utiliza água, que é resfriada numa torre de resfriamento seca, podendo ser de tiragem natural ou mecânica. O sistema pode utilizar um condensador de contato direto ou condensador de contato indireto.

Esse sistema, também chamado de sistema Heller, foi criado por H. Heller na Hungria, na década de 1940. Podem ser utilizados condensadores de contato direto, condensadores barométricos ou condensadores casco e tubos (IAEA, 2012). O sistema pode utilizar torres secas de tiragem natural (mais comuns) e torres de tiragem mecânica, seja forçada ou induzida (ENEXIO, 2016).

A fabricante Enexio possui uma lista com plantas que utilizam o sistema Heller, atualizada em abril de 2017, onde constam 132 centrais. Dessas, 58% se encontram na China, Rússia e Irã. A termonuclear Bilibino na Rússia, localizada no nordeste da Sibéria, utiliza o sistema Heller, com torres mecânicas e condensador casco e tubos (ENEXIO, 2017). A potência da central é 48 MW, sendo essa a menor central termonuclear russa, cujo início de operação foi na década de 1970 (KELLER, 1987).

Nos condensadores de contato direto, a água de resfriamento entra no condensador através de sprays, sendo resfriada na torre de resfriamento em um ciclo fechado, de modo que não ocorrem perdas e não é necessária reposição (BALOGH, 2013), como apresenta a Figura 3.13. A vazão da água do condensador é aproximadamente 50 vezes maior que a vazão do condensado, além de apenas 3% da vazão em circulação retorna para a caldeira como água de alimentação (IAEA, 2012).

Em comparação ao ACC, o sistema Heller possui menor consumo de energia elétrica, menor pressão no condensador, ocupa menor área e menor emissão de ruídos (GEA HEAT EXCHANGERS, 2013).

Figura 3.13. Sistema Heller com torre de resfriamento de tiragem natural Fonte: Adaptado de ENEXIO (2016)

As torres de tiragem natural do sistema Heller podem ser estruturas de concreto reforçado, assim como as torres de resfriamento úmidas, ou estruturas de aço recobertas com revestimento de alumínio corrugado. Na Figura 3.14 são apresentadas duas centrais que utilizam o sistema indireto, sendo na Figura 3.14 a) uma central em ciclo combinado Zayzoun, na Síria, com 540 MW e na Figura 3.14 b) a central Çan Power Plant com 330 MW, movida a carvão localizada em Çanakkale, na Turquia. No centro dessa torre encontram-se dois exaustores dos gases de combustão.

a) b)

Figura 3.14. a): Central termelétrica Zayzoun. b) Çan Power Plant, na Turquia. Fonte: ENEXIO, 2018a

As torres de resfriamento de tiragem mecânica do sistema de resfriamento indireto são similares ao ACC, em termos de formato, altura e consumo de eletricidade, sendo uma alternativa ao uso do mesmo. Além disso, as torres mecânicas diminuem em cerca de 2% a geração de energia elétrica da termelétrica, em comparação as torres de tiragem natural (HUNWICK, 2011). De modo geral, as principais vantagens do sistema seco indireto são (ENEXIO, 2016):

 O custo operacional é baixo, pois possui poucos componentes com partes rotativas que necessitam de baixa manutenção (SPX DRY COOLING, [s.d.]);

 Baixa emissão de ruídos e diminuição da emissão de gases poluentes, se os mesmos forem liberados através da torre de resfriamento. As torres podem acomodar as chaminés de caldeiras de leito fluidizado (stack-in-tower) ou sistemas dessulfuração úmida de gases de combustão (FGD) (ENEXIO, 2018a);

 É capaz de atingir os menores valores de vácuo dentre os sistemas de resfriamento;  A resistência térmica da água ajuda na resistência à invernos rigorosos e rajadas de

vento;

 Melhor desempenho dentre sistemas híbridos (úmidos e seco) durante picos de operação de verão;