3.4 Caldeira de recuperação
As caldeiras de recuperação usam os gases de exaustão das turbinas a gás ou de motores de combustão para produzir vapor de água a média pressão.
Pesquisas mostram o importante papel que desempenha uma caldeira de recuperação na efi- ciência de diversos sistemas. Por exemplo, Shin et al. (2003) analisaram as características opera- cionais de uma caldeira de recuperação de vapor de tripla pressão usando um programa computa- cional. Nesse estudo se determinou que o aumento da temperatura dos gases de exaustão determina a produção de vapor na caldeira de recuperação quando a temperatura ambiente é próxima a 10◦C. Balli e Aras(2007) mostram que as perdas pela superfície da caldeira de recuperação e pelos gases de chaminé respondem por 16,44% e 18,38% do total de energia de entrada na caldeira, respetivamente, e que só 65,2% da exergia de entrada é utilizada de forma eficaz.
Os balanços de massa, de energia e de exergia para o volume de controle de uma caldeira de recuperação adiabática (Figura3.4), são dados por:
Figura 3.4 - Volume de controle de uma caldeira de recuperação.
˙
mg,e = ˙mg,s m˙a,e = ˙ma,s (3.21)
˙
mg,e(hg,e− hg,s) = ˙ma,s(ha,s− ha,e) (3.22)
˙
Exd,cr = ˙mg,e(exg,e− exg,s) − ˙ma,s(exa,s− exa,e) (3.23)
εr,cr =
˙
ma,s(exa,s− exa,e)
˙
mg,e(exg,e− exg,s)
3.5 Sistema de refrigeração por absorção
Os sistemas de refrigeração por absorção com queima indireta são dispositivos que usam a energia (calor) recuperado de outro processo ou ciclo de calor. Essa energia recuperada pode vir dos gases de exaustão e do sistema de resfriamento de um motor. O uso destes sistemas além de fornecer a carga de resfriamento, reduz a demanda de pico de eletricidade no sistema (DORGAN et al.,1995).
Diversos estudos foram feitos sobre a introdução de sistemas de refrigeração por absorção em sistemas de cogeração.Hufford(1991) discute as diversas alternativas de fonte de energia para resfriadores de líquido por absorção como componente de um sistema de cogeração, para assim melhorar o desempenho deste sistema.
Em seus estudos,Poredos et al.(2002) discutem a questão de se usar vapor ou água quente a pressão ambiente para acionar resfriadores de líquido por absorção. Eles determinaram que os resfriadores por absorção acionados por vapor (principalmente de dois estágios) demandam vapor de média pressão, desse modo a produção de eletricidade é mais baixa do que no caso dos resfria- dores de líquido por absorção de apenas um estágio, que podem operar com água quente a pressão ambiente. Se houver também algum problema com o excedente de energia num sistema, o uso dos resfriadores de líquido por absorção acionados por água quente é mais apropriado, já que eles precisam de maior quantidade de energia quando comparado com os resfriadores de líquido por absorção de duplo estágio acionados a vapor.
A unidade de refrigeração por absorção acionada pelo calor recuperado num motor de com- bustão interna foi analisada por um código de simulação que avalia a influência das condições de contorno e dos parâmetros internos (LONGO et al.,2005). A unidade é composta por um resfriador de líquido por absorção de simples efeito e outro de duplo efeito integrados num mesmo evapora- dor e absorvedor, obtendo um coeficiente de performance (COP) igual a 1, num intervalo típico de operação de aplicações de ar condicionado.
Kalinowski et al. (2009) apresenta o estudo da substituição de resfriadores de líquido por compressão por sistemas de refrigeração por absorção. A partir da análise, mostra-se que de um processo de geração de eletricidade de 9 MW se pode recuperar 5,2 MW de energia que produz refrigeração adicional para a planta, e assim poupar 1,9 MW de consumo de eletricidade.
mas de refrigeração por absorção são mais apropriados para trabalhar como parte de sistemas de cogeração, ou com a utilização de calor rejeitado como insumo de energia. Nesse estudo a eficiência exergética do sistema de simples efeito com queima direta foi 2,03%, enquanto eficiência do sis- tema de duplo efeito com queima direta foi 3,75%. Os sistemas acionados por água quente (simples efeito) e por vapor (duplo efeito) apresentaram eficiências exergéticas de 10,84% e 15,43%, res- pectivamente.
Figura 3.5 - Volume de controle de um sistema de refrigeração por absorção.
Os balanços de massa, energia e exergia para o volume de controle de um resfriador de líquido por absorção, desprezando a potência da bomba (Figura3.5), são dados por:
˙
maq = ˙maq,e = ˙maq,s m˙at = ˙mat,e = ˙mat,s m˙ ag = ˙mag,e= ˙mag,s (3.25)
˙
maq(haq,e− haq,s) + ˙mag(hag,e− hag,s) = ˙mat(hat,s− hat,e) (3.26)
˙
Exd,ch = ˙maq(exaq,e− exaq,s) − ˙mag(exag,s− exag,e) − ˙mat(exat,s− exat,e) (3.27)
εr,ch =
˙
mag(exag,s− exag,e)
˙
maq(exaq,e− exaq,s)
(3.28)
3.6 Trocadores de calor sem mistura
Trocadores de calor são de considerável importância e amplamente utilizados em vários tipos de aplicações, portanto, Yilmaz et al. (2001) decidiram revisar os critérios de avaliação de seu desempenho baseados na segunda lei usando como parâmetros de avaliação a entropia e a exergia. Eles observaram que para a análise e projeto de trocadores de calor, é essencial considerar a taxa de geração de entropia irreversível; e apesar de que para atingir um tamanho menor do trocador de calor a diferença de temperatura entres os fluxos deve ser maximizada, uma maior perda de exergia
acontecerá durante a transferência de calor.
Análises de energia e exergia para trocadores de calor foram apresentados em vários estudos. Galovic et al.(2007) apresenta a avaliação de trocadores de calor de recuperação de fluxo paralelo e contra-fluxo. Eles determinaram que a destruição de exergia para cada tipo de trocador de calor é pequena, uma vez que os valores operacionais da relação entre temperaturas absolutas de entrada são próximos a 1.
Bejan et al. (1996) indica que como os trocadores de calor têm finalidades diferentes, as escolhas dos insumos e dos produtos levam a expressões alternativas para a eficiência exergética racional. A formulação da eficiência racional varia de acordo com a temperatura que ocorre a transferência de calor, ou seja, se a temperatura é menor, igual ou maior que a temperatura de referência (To).
Os balanços de massa, de energia e de exergia para o volume de controle de um trocador de calor sem mistura, considerado como um sistema adiabático (Figura3.6), são dados por:
Figura 3.6 - Volume de controle de um trocador de calor sem mistura.
˙
mf,e = ˙mf,s m˙q,e= ˙mq,s (3.29)
˙
mq,e(hq,e− hq,s) = ˙mf,s(hf,s− hf,e) (3.30)
˙
Exd,tc = ˙mq,e(exq,e− exq,s) − ˙mf,s(exf,s− exf,e) (3.31)
εr,tc =
˙
mf,s(exf,s− exf,e)
˙
mq,e(exq,e− exq,s)