A elevada procura energética industrial associada aos elevados custos empresariais com o consumo de combustíveis faz com que o uso racional da energia esteja na agenda das estratégias de gestão dos principais intervenientes na economia. Diante deste cenário, o presente trabalho tem como objetivo projetar um trocador de calor. calor de bobinas helicoidais que recuperam a energia térmica contida no efluente resultante de um processo de autoclavagem, a fim de promover maiores níveis de eficiência energética no setor de saúde para tratamento de resíduos no Aterro Sanitário de Canhanduba, Itajaí - SC. Os resultados do projeto mostraram que o trocador de calor é viável do ponto de vista técnico e econômico, o que se justifica pela sua flexibilidade de utilização em sistemas de esterilização com características operacionais especiais e pela sua elevada capacidade de recuperação de calor residual de autoclaves.
LISTA DE SÍMBOLOS
C ONTEXTUALIZAÇÃO
Segundo Farias e Sellitt (2011), a disponibilidade de recursos naturais, os interesses comerciais, o domínio de tecnologias e a conservação ambiental pressionam os países a escolherem adequadamente suas estratégias de gestão energética, a fim de evitar potenciais conflitos no uso de energia. Essas informações estão incluídas no Plano Nacional de Eficiência Energética, no Plano Nacional de Energia, nos Planos Decenais de Energia e no Plano Nacional de Mudanças Climáticas.
J USTIFICATIVA
P ROBLEMA DE P ESQUISA
- Específicos
Este processo produz um fluxo orgânico com alto nível de energia térmica, portanto, sua recuperação é proposta através de um trocador de calor tipo serpentina, especialmente projetado para atender às características especiais do sistema. A questão relacionada a esse problema é se existe viabilidade técnica e econômica no aproveitamento da energia térmica proveniente do efluente dos processos industriais através de um trocador de calor.
D ELIMITAÇÃO DA P ESQUISA
E FICIÊNCIA E NERGÉTICA
- Programas e Políticas Nacionais de Eficiência Energética
- Desenvolvimento Energético Sustentável
Num contexto mais amplo, o Plano Nacional de Energia 2030 (PNE 2030) e os planos energéticos decenais, elaborados pela Empresa de Pesquisa Energética e coordenados pelo MME, estabelecem as metas, objetivos e ações de conservação de energia dentro de um plano padrão. horizonte temporal, incluindo os atores, programas e leis supracitados, entre outros, além de citar planos específicos como o Plano Nacional de Eficiência Energética (PNEf), o Plano Nacional de Mudanças Climáticas e o Plano Nacional de Logística Energética. Transporte (MME, 2010) . Podem levar a reduções significativas no consumo de energia e nas emissões de poluentes associadas à sua conversão.
V APOR
- Tipos de Vapor
- Histórico e Aplicações do Vapor
- Tecnologias de Eficiência Energética no Uso de Vapor
Oportunidades para melhorar os níveis de eficiência energética em sistemas convencionais de vapor foram identificadas, classificadas e descritas por Nogueira et al. As tabelas a seguir abordam essas informações, que estão organizadas em sistemas de geração, distribuição e recuperação de vapor (Tabela 1 a Tabela 5).
R ESÍDUOS DE S ERVIÇOS DE S AÚDE
- Políticas Nacionais de Resíduos Sólidos
- Tecnologias de Tratamento Térmico de Resíduos de Serviços de Saúde
Recuperar a energia térmica do condensado e reduzir a quantidade de água de alimentação fornecida ao sistema, economizando energia e produtos químicos de tratamento. Segundo ANVISA (2006), a Resolução CONAMA nº 358/05 trata da gestão dos RSS na perspectiva da preservação do meio ambiente por meio do estabelecimento de critérios para licenciamento ambiental de sistemas de tratamento e disposição final desses resíduos. É uma forma de tratamento térmico do RSS, que consiste na sua descontaminação através da emissão de ondas de alta ou baixa frequência a uma temperatura entre 95 e 105ºC.
Consiste no tratamento térmico do RSS com reações físico-químicas de combustão a uma temperatura de 800 a 1200 °C, onde os materiais orgânicos são gaseificados por um período de tempo pré-determinado, o que provoca a sua oxidação, redução do seu volume e destruição dos materiais orgânicos. , incluindo organismos patogênicos, ANVISA (2006).
S ISTEMA DE A UTOCLAVAGEM
- Autoclave
- Caldeira Estacionária a Vapor
B Forno Local onde se inicia o processo de combustão do combustível C Câmara de combustão Local onde o combustível é consumido. O componente responsável por aproveitar o calor sensível dos gases de combustão para aquecer a água de alimentação. O componente responsável pela utilização do calor sensível dos gases de combustão para aquecer o ar no forno.
Os gases de combustão produzidos na fornalha circulam dentro destes tubos, em duas ou mais passagens, até a chaminé, onde são liberados no meio ambiente.
T ROCADOR DE C ALOR
- Classificação
- Trocador de Calor Tipo Serpentina Helicoidal
- Requisitos Normativos para Projetos de Trocadores de Calor Tipo Serpentina Helicoidal Helicoidal
- Equações Fundamentais de Trocadores de Calor
Trocador de calor de aquecimento: utilizado para aquecer o fluido principal através de um fluido auxiliar externo na forma de vapor saturado;. Trocador de calor refector: utilizado para fornecer energia térmica latente na forma de vapor às torres de destilação através de um fluido auxiliar externo a uma temperatura suficientemente elevada; Trocador de calor evaporativo: utilizado para evaporar o fluido principal para concentrar uma solução específica;
Trocador de calor evaporativo: Usado para evaporar um fluido principal convertendo o calor sensível e latente de um fluido utilitário externo.
O BJETO DE E STUDO
- Características Hidráulicas e Termodinâmicas
- Investimento Inicial
- Prazo de Retorno do Investimento
O programa computacional utilizado para construção do trocador de calor em espiral será o software COMSOL Multiphysics versão 4.4, que permite modelagem e simulação numérica de diversas condições físicas de fluxo e transferência de calor na geometria projetada para qualquer dimensão espacial e regime de tempo. . A física que resolve este problema de pesquisa combina as equações utilizadas para calcular o fluxo de água dentro de um trocador de calor (Equações 20 a 30) com as equações que governam a transferência isotérmica de calor neste sistema (Equações 31 a 50). O trocador de calor proposto consistirá de duas partes principais, um tanque de armazenamento de líquido e bobinas espirais para troca de energia térmica.
Os dados de consumo de combustível serão utilizados para determinar as perdas de energia do sistema de autoclave, questão essencial para análise da viabilidade econômica do projeto e para determinação do retorno do investimento com a aquisição do trocador de calor ampliado.
A NÁLISES Q UÍMICAS DO E FLUENTE
I NTERFACES DE A UTOMAÇÃO
Feche a válvula solenóide de saída inferior no compartimento de armazenamento de águas residuais do permutador de calor. Abra a válvula solenóide de entrada de água fria no trocador de calor por um tempo pré-determinado. Abra a válvula solenóide de saída inferior no compartimento de armazenamento de águas residuais do permutador de calor.
Abrir a válvula solenóide ligada ao tubo de distribuição de água fria e ligar a bomba hidráulica de alimentação da caldeira.
P ERDAS T ÉRMICAS NA D ISTRIBUIÇÃO DE E FLUENTE E Á GUA Q UENTE
O objetivo é controlar a distribuição de água à caldeira, avaliar o nível do seu funcionamento e evitar perturbações no funcionamento da bomba hidráulica devido a processos de cavitação e entrada de ar. Diâmetro interno do tubo de condensado 82,2x10-3 m Diâmetro interno do tubo de vapor 42,3x10-3 m Diâmetro interno do tubo de água quente 28,4x10-3 m Espessura da parede do tubo de condensado 3,35x10-3 m Espessura da parede do tubo de vapor 3x10-3 m Espessura da parede de água quente tubo 2,65x10−3 m Rugosidade da superfície do tubo 1,6x10−3 m. No caso de uma linha de distribuição hidráulica de água quente para uma caldeira, o objetivo da simulação é quantificar a dissipação de energia térmica em tubulações isoladas termicamente, pois em cada processo de abastecimento da caldeira parte da água fica retida no tubos, resfriamento durante os ciclos de esterilização, o que reduziria a eficiência energética e a viabilidade econômica do trocador de calor.
Observando os resultados da figura 15, conclui-se que a solução adotada é justificável, obtendo-se uma diferença de temperatura de apenas 0,1 °C entre os pontos de descarga e abastecimento de água quente.
E FICIÊNCIA E NERGÉTICA DO T ROCADOR DE C ALOR
- Transferência de Calor nas Serpentinas Helicoidais
- Perdas Energéticas no Tanque de Armazenamento de Fluídos
A distribuição da energia térmica do trocador de calor para o ambiente externo foi quantificada utilizando a metodologia descrita no título 3.2.1.1.1. O resultado da simulação mostrou que as perdas de energia no tanque de armazenamento de líquido do trocador de calor são de cerca de 90,87 W no compartimento que armazena água quente e 164,44 W no reservatório de efluentes. Uma perda térmica significativa que pode reduzir significativamente a eficiência energética e a viabilidade económica do permutador de calor se os períodos de armazenamento de água forem longos.
Observa-se nos resultados da simulação que a temperatura do lado externo do trocador de calor permanece entre 40 e 50 °C (Figura 19), e os funcionários da empresa investigada devem ter cuidado ao manusear o equipamento, o que representa risco de queimaduras , e a comissão interna de prevenção de acidentes (CIPA) deve tomar medidas para prevenir esse tipo de dano.
V IABILIDADE E CONÔMICA
- Eficiência Energética do Sistema de Autoclavagem
- Dispêndios Financeiros
- Prazo de Retorno do Investimento
As condições orçamentárias de todos os materiais, acessórios e serviços necessários à construção, transporte, instalação e operação do trocador de calor projetado estão organizadas nas tabelas dos anexos (Tabela 18 e Tabela 19). Não foram incluídos os custos de operação da tecnologia pela equipe do centro de esterilização e os produtos químicos necessários para realizar a manutenção periódica, por serem elementos comuns no dia a dia do sistema em estudo. A viabilidade econômica do trocador de calor projetado para o sistema de autoclavagem do aterro sanitário de Canhanduba está diretamente relacionada ao período em que o investimento no equipamento seria amortizado através da sua rentabilidade, ou seja, da economia promovida no sistema com a utilização deste tecnologia em comparação com a operação atual do centro de esterilização.
Massa de combustível consumida na utilização de água fria 7,86 kg/ciclo Massa de combustível consumida na utilização de água quente 4,58 kg/ciclos Economia de combustível por ciclo de esterilização 3,29 kg/ciclo Número médio mensal de ciclos de esterilização 129 ciclos de cada mês por mês Trocador 52x10- 3 kW Tempo de Utilização de Equipamentos Eletrônicos em Esterilização 0,67 h/Ciclo.
C ONCLUSÕES
Diante dos fatos, devem ser incentivados projetos que promovam maior eficiência no uso dos recursos energéticos, e em conexão com este trabalho alguns pontos são destacados. As características técnicas do local revelaram-se extremamente importantes na definição da viabilidade técnica e financeira do equipamento, uma vez que os custos de prestação de serviços, aquisição de materiais e acessórios a utilizar com o permutador de calor ascendem a aprox. dos custos totais do projeto e poderá limitar a aplicação deste tipo de tecnologia em sistemas de tratamento térmico de resíduos de saúde. O desempenho termodinâmico alcançado com o projeto do trocador de calor foi prejudicado pelo fato do efluente, principal fonte de energia para troca térmica do equipamento, ser descarregado em lote e permanecer estático, esta situação faz com que a transferência de calor ocorra apenas na interface entre a camada limite termodinâmica entre a água e as águas residuais.
Com base nas questões apresentadas, propõe-se a utilização de um componente hidráulico interno que promova a recirculação da vazão e favoreça o transporte de energia por convecção forçada.
R ECOMENDAÇÕES PARA T RABALHOS F UTUROS
Decisão da Diretoria Colegiada da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (RDC) nº 15, de 15 de março de 2012. Dispõe sobre requisitos de boas práticas para tratamento de produtos para saúde e dá outras providências. Resolução da Diretoria Colegiada da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (RDC) nº 306, de 7 de dezembro de 2004.
Permite investimentos em pesquisa e desenvolvimento e eficiência energética por parte de concessionárias, licenciadas e autorizadas do setor elétrico e dá outras providências.
APÊNDICES
PROJETO DE TROCADOR DE CALOR
