Um modelo teórico-experimental de recuperador do calor sensível contido nos gases da descarga de uma microturbina

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA. UM MODELO TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE RECUPERADOR DO CALOR SENSÍVEL CONTIDO NOS GASES DA DESCARGA DE UMA MICROTURBINA. DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA. RICARDO AURÉLIO FRAGOSO DE SOUSA. Recife, 22 de setembro de 2005.

(2) S725u. Sousa, Ricardo Aurélio Fragoso de. Um modelo teórico-experimental de recuperador do calor sensível contido nos gases da descarga de uma microturbina / Ricardo Aurélio Fragoso de Sousa. – Recife: O Autor, 2005. 72 folhas.; il., gráfs., tabs. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2005 . Inclui Referências bibliográficas e Anexo. 1. Engenharia Mecânica. 2. Recuperador de calor. 3. Microturbina. I. Título.. 621 CDD (22.ed.). UFPE/BCTG/2008-013.

(3) “ UM MODELO TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE RECUPERADOR DO CALOR SENSÍVEL CONTIDO NOS GASES DA DESCARGA DE UMA MICROTURBINA”. RICARDO AURÉLIO FRAGOSO DE SOUSA. ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTE EM ENGENHARIA MECÂNICA. ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: PROCESSOS E SISTEMAS TÉRMICOS APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA/CTG/EEP/UFPE..

(4) "A humildade é a chave que abre todas as portas”. São Francisco de Assis.

(5) DEDICATÓRIA Para Luzia, em memória. À minha família..

(6) AGRADECIMENTOS Para Deus, sempre presente. À professora Ana Rosa Primo, pelo apoio e incentivo. Ao professor José Carlos Charamba Dutra, pela orientação na realização deste trabalho. A Guilherme Oliveira, Gustavo Lira e Rafael Correia pela inestimável ajuda na preparação do experimento. À senhora Eliana Alves da Silva, pelo apoio na área administrativa. Aos professores do Mestrado em Engenharia Mecânica..

(7) RESUMO No presente trabalho foi desenvolvido um modelo teórico-experimental para determinação do desempenho de um recuperador do calor sensível contido no gás de combustão originado de uma microturbina. A parte experimental foi realizada na planta COGENCASA da UFPE, onde uma microturbina, fabricação CAPSTONE, de 30 kW de potência de pico, consome gás natural e fornece energia elétrica. Os gases de combustão, após saírem da turbina, passam por um recuperador de calor, onde parte do calor sensível é transferido para a água no recuperador de calor. O recuperador de calor é um trocador de calor compacto. Através de medidores de temperatura (termopares) e medidores de vazão foi possível a obtenção do desempenho do recuperador de calor. A parte teórica foi desenvolvida através do balanço de massa e energia no trocador de calor tendo sido elaborado um programa em MATLAB, que determinou o valor da energia térmica cedida pelos gases de combustão e o valor da energia térmica recebida pela água. Realizou-se, então, uma comparação entre os valores encontrados na parte experimental e os valores indicados em catálogos de um recuperador de calor, similar ao que é objeto do estudo. Concluiu-se, por fim, que os valores obtidos através do programa desenvolvido estavam similares aos valores indicados pelo fabricante do trocador. Palavras-chave: 1. Engenharia Mecânica. 2. Recuperador de calor. 3. Microturbina.

(8) ABSTRACT The present work describes a theoretical and experimental model to determine the performance of a sensible heat-recovery for the exhaustion of a micro-turbine. The experimental part of this work was carried out at the laboratory COGENCASA/UFPE, a laboratory completely dedicated to research on micro co-generation using natural gas. In this laboratory operates a 30 kW micro turbine by Capstone, which produces energy using natural gas. The exhaustion of the micro turbine is diverted to a heat-recovery, where sensible heat is transferred to the water. The heat-recovery is in fact a compact heat exchanger. Its performance was evaluated by means of temperature measurements (thermocouples) and flow meters. The theoretical part of this work was developed through an energy and mass balance in the heat exchanger using MATLAB. This balance indicated the thermal energy transferred out of the exhaustion as well as the thermal energy received by the water. A comparison between the experimental data and the values given by the developed program was carried out, revealing that the mathematical model is a valid issue to represent the functioning of the used heatrecovery. Key words: 1. Mechanical engineering. 2. heat-recover. 3. Microturbine.

(9) SIGLAS E SÍMBOLOS. SIGLAS E SÍMBOLOS DESCRIÇÃO SÍMBOLO Área de transferência de calor ou área de passagem de um A fluido Coeficiente global de troca térmica U Medidor da vazão dos gases da combustão V01 Medidor da vazão da água V02 Resistência de contato, lado fluido quente Rc1 Resistência de contato, lado fluido frio Rc2 Termopar número 01, instalado na tubulação de entrada TE1 dos gases da combustão no recuperador de calor. Termopar número 02, instalado na tubulação de saída dos TE2 gases da combustão no recuperador de calor. Termopar número 03, instalado na tubulação de entrada da TE3 água no recuperador de calor. Termopar número 04, instalado na tubulação de saída da TE4 água no recuperador de calor. Temperatura do fluido quente, em posição afastada da T∞,1 superfície Temperatura da superfície, lado do fluido quente Tsup,1 Temperatura do fluido frio, em posição afastada da T∞,2 superfície Temperatura da superfície, lado do fluido frio Tsup,2 Coeficiente de transferência de calor por condução, lado h1 fluido quente Coeficiente de transferência de calor por condução, lado h2 fluido frio Capacidade calorífica do fluido quente C1 Capacidade calorífica do fluido frio C2 Temperatura dos gases da combustão na entrada do T1 recuperador de calor. Temperatura dos gases da combustão na saída do T2 recuperador de calor. Temperatura da água na entrada do recuperador de calor. T3 Temperatura da água na saída do recuperador de calor. T4 Vazão da água Q2 Vazão dos gases de combustão Q1 Temperatura média dos gases de combustão TM1 Temperatura média da água TM2 Calor específico dos gases de combustão, para a condição C1 de temperatura TM1 Calor específico água, para a condição de temperatura C2 TM2 Massa específica dos gases de combustão, para a condição M1 de temperatura TM1. UNIDADE m2 W/(m2.ºC) Sem dimensão Sem dimensão (m2.ºC)/W (m2.ºC)/W Sem dimensão Sem dimensão Sem dimensão Sem dimensão ºC ºC ºC ºC W/(m2.ºC) W/(m2.ºC) W/ ºC W/ ºC ºC ºC ºC ºC kg/s kg/s ºC ºC kJ/kg.K kJ/kg.K kg/m3 Continua.

(10) SIGLAS E SÍMBOLOS, continuação DESCRIÇÃO SÍMBOLO Massa específica da água, para a condição de temperatura M2 TM2 Instante de medição T0 Razão entre o fluxo de calor absorvido pela água e o fluxo RQ de calor cedido pelos gases de combustão. UNIDADE kg/m3 s Sem dimensão.

(11) FIGURAS. FIGURAS CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Página Figura 2.1 – Distribuição da aplicação de microturbinas nos Estados Unidos, em 20 2003. Figura 2.2 - Calor recuperado pela água, vazão da água 4.3 m3/h 21 CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS Página Figura 4.1 – Vantagens da aplicação da cogeração. 24 Figura 4.2 – Cogeração com turbina a gás 25 Figura 4.3 - Cogeração com turbina a vapor 25 Figura 4.4 - Cogeração com motor alternativo 26 Figura 4.5 - Classificação dos trocadores de calor 26 Figura 4.6 - Classificação dos trocadores de calor quanto ao processo de 27 transferência de calor Figura 4.7 - Destilador que utiliza o princípio do contato direto. 27 Figura 4.8 - Transferência através de superfície separando os fluidos 28 Figura 4.9 - Trocador por transferência de calor através de elementos de 29 armazenamento Figura 4.10 - Classificação dos trocadores de calor quanto à direção e sentido dos 29 fluidos. Figura 4.11 - Trocador de calor de correntes paralelas 29 Figura 4.12 - Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um 30 trocador de calor de correntes paralelas Figura 4.13 - Trocador de calor de correntes opostas 30 Figura 4.14 - Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um 30 trocador de calor de correntes opostas. Figura 4.15 -Trocador de calor de fluxos cruzados. 31 Figura 4.16 – Classificação dos trocadores de calor quanto à forma construtiva 31 Figura 4.17 – Feixe tubular 32 Figura 4.18 – Desenho, em corte, de um trocador de calor de casco e tubos. 32 Figura 4.19 – Trocador de calor de duplo tubo. 33 Figura 4.20 – Trocador de calor com feixe em serpentina. 33 Figura 4.21 – Fluxos em um trocador de calor de placas 34 Figura 4.22 – Trocador de calor de placas 34 Figura 4.23 – Representação esquemática da transferência de calor. 36 Figura 4.24 – Circuito térmico equivalente 36 Figura 4.25 – Esquema básico de ligação de termopares 39 Figura 4.26. – Tubo Pitot. 40 Figura 4.27. – Medidor de vazão de água 41 CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS Figura 5.1 – Esquema básico do sistema COGENCASA Figura 5.2 – Microturbina Figura 5.3 – Microturbina em perspectiva e em corte. Figura 5.4 – Vista do conjunto rotativo da microturbina, composto de eixo, rotor do compressor e rotor da turbina.. Página 42 45 45 46 Continua.

(12) FIGURAS, continuação CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS Figura 5.5 – Recuperador de calor Figura 5.6 – Sistema de controle da vazão do gás de combustão Figura 5.7- Chiller de absorção, na condição de refrigeração. Figura 5.8 - Chiller de absorção, na condição de regeneração. Figura 5.9 – COP do chiller, em função da temperatura de saída da água gelada, CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR Figura 6.1 - Sistema de geração de energia elétrica e recuperação de calor, com os instrumentos instalados. Figura 6.2 – Termopar TE1. Figura 6.3 – Termopar TE2. Figura 6.4 – Termopar TE3. Figura 6.5 – Termopar TE4. Figura 6.6 – Detalhe da ligação dos termopares ao coletor de dados. Figura 6.7 – Relação entre a potência fornecida pela microturbina e a temperatura de saída dos gases de exaustão Figura 6.8 – Detalhe dos pontos de aferição do medidor de vazão dos gases de combustão. Figura 6.9 – Perfil da velocidade dos gases de combustão no interior do duto de exaustão.. Página 47 47 49 49 50 Página 51 52 53 53 53 54 58 59 59. CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS Figura 7.1 – Temperaturas T1, T2, T3, T4, T5 e T6 durante o teste Figura 7.2 –Detalhe das temperaturas T1 e T2 durante o teste Figura 7.3 – Detalhe das temperaturas T3 e T4 durante o teste Figura 7.4 - Fluxograma para cálculo do fluxo de calor dos gases de combustão e do fluxo da água. Figura 7.5 – Fator de Colburn (fator jc). Fonte Kays e London.. Página 61 61 62. CAPÍTULO 8 – ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Figura 8.1 – Relação entre o calor específico do ar e do gás de combustão. Figura 8.2 – Relação entre o volume específico do ar e do gás de combustão. Figura 8.3 – Características de funcionamento da microturbina. Figura 8.4 – Relação entre a potência fornecida pela microturbina e a temperatura ambiente. Figura 8.5 – Calor cedido pelos gases de combustão, calor recebido pela água e potência elétrica gerada.. Página 66 66 67. 63 64. 67 68.

(13) TABELAS E QUADROS. CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Tabela 1.1 - Aplicações de microturbinas no Brasil. CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS Tabela 4.1 - Termopares mais comuns e suas características principais. Página 18 Página 39. CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS Quadro 5.1 – Equipamentos instalados no COGENCASA Tabela 5.2 - Características típicas do gás natural, originado de Guamaré (RN) Quadro 5.2 - Condições operacionais do chiller de absorção. Página 42 44 50. CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR Quadro 6.1 - Relação dos termopares e respectivos locais de instalação Tabela 6.1 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 4°C Tabela 6.2 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 27°C Tabela 6.3 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 75°C Tabela 6.4 – Resultado da aferição dos termopares Tabela 6.5 – Resultado da aferição dos termopares, com a curva de interpolação Tabela 6.6 – Valores obtidos e calculados na medição da vazão dos gases de combustão na temperatura dos gases de 80ºC. Página 52 54 55 55 56 56 59.

(14) EQUAÇÕES. CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS Equação 4.1 - q = U.A.(Tb1 – Tb2) Equação 4.1a q/At = U(T∞,1 – T∞,2) Equação 4.2 1/U1 = 1/η1h1 + a/(Ap/A1)k1 + 1/(A2/A1) η2k2 Equação 4.3 1/U2 = 1/η2h2 + a/(Ap/A2)k1 + 1/(A1/A2) η1k1 Equação 4.4 U1 A1= U2 A2 Equação 4.5 η1 = 1 – (A2/A) (1- η2) Equação 4.6 P/γ + v2/(2.g) + z = constante Equação 4.7 P1/γ + v12/(2.g) + z1 = P2/γ + v22/(2.g) Equação 4.8 P1/γ = P2/γ + v22/(2.g) Equação 4.9 v= [2 . (Po – P)/ρ]1/2 Equação 4.9 V= Ar . v2 Equação 4.10 V = (π . d2/4) . v2. + z2. Página 36 37 37 38 38 38 40 40 40 41 41 41. CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO Página RECUPERADOR DE CALOR Equação 6.1 TC = 1,013 x TM + 1,431 56 Equação 6.2 TC = 1,010 x TM + 1,155 56 Equação 6.3 TC = 1,023 x TM + 0,949 56 Equação 6.4 TC= 1,002 x TM+ 1,869 56.

(15) SUMÁRIO. RESUMO.........................................................................................................................vi ABSTRACT...................................................................................................................vii SIGLAS E SÍMBOLOS...............................................................................................viii FIGURAS.........................................................................................................................x TABELAS E QUADROS..............................................................................................xii EQUAÇÕES.................................................................................................................xiii SUMÁRIO.....................................................................................................................xiv CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO.................................................................................16 1.1 MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO 1.2 O SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E RECUPERAÇÃO DE CALOR. CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.........................................................20. CAPÍTULO 3 – OBJETIVOS......................................................................................23 3.1 OBJETIVO GERAL 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS...................................................................24 4.1 COGERAÇÃO 4.2 TROCADORES DE CALOR 4.3 RECUPERADORES DE CALOR 4.4 TERMOPARES 4.5 TUBO PITOT 4.6 MEDIDOR VOLUMÉTRICO. CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS...........42 5.1 INSTALAÇÃO DO COGENCASA 5.2 MICROTURBINA 5.3 RECUPERADOR DE CALOR 5.4 CHILLER DE ABSORÇÃO. CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR....................................................................................51 6.1 EQUIPAMENTOS 6.2 SENSORES DE MEDIÇÃO.

(16) CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS...............................................................61 7.1 CONDIÇÃO DE REALIZAÇÃO DO TESTE 7.2 PROCEDIMENTO DE CÁLCULO DOS FLUXOS DE CALOR, PARTE EXPERIMENTAL 7.3 PROCEDIMENTO DE CÁLCULO DOS FLUXOS DE CALOR, MODELAGEM MATEMÁTICA. CAPÍTULO 8 – ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS..........................65 8.1 CONSIDERAÇÕES QUANTO ÀS CARACTERÍSTICAS DOS GASES DE COMBUSTÃO 8.2 PROGRAMA PARA O CÁLCULO DO CALOR LIBERADO PELOS GASES DE COMBUSTÃO, CALOR RECEBIDO PELA ÁGUA E POTÊNCIA GERADA PELA MICROTURBINA 8.3 LIMITAÇÕES DOS RESULTADOS OBTIDOS CAPÍTULO 9 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS......................................................................................................................69 9.1 CONCLUSÕES 9.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................71 ANEXO.

(17) 1- INTRODUÇÃO A utilização da energia, tanto elétrica como térmica, está sendo, cada vez mais, feita de forma racional. Este fato deve-se, principalmente, devido às motivações econômicas e ambientais. No campo econômico, em um mundo cada vez mais globalizado, a aplicação eficiente da energia é condição importante, quando não crucial. Por outro lado, o meio ambiente apresenta-se, em alguns locais, em processo de considerável degradação, merecendo, por parte de todos, medidas que mitiguem ou evitem as conseqüências da ação do homem. Neste aspecto, o reaproveitamento da energia possibilita um melhor relacionamento do homem com o ambiente, pois mitiga o impacto ambiental. Dentre as inúmeras formas de obtenção de energia elétrica, o acionamento de geradores elétricos através de motores térmicos está em fase de crescimento no Brasil, em função da escassez do potencial hídrico. No ano de 2001 o Brasil enfrentou uma grave crise no fornecimento de energia elétrica, tendo como resultados: racionamento de energia, feriados programados e riscos de apagões. Esta crise foi devida ao regime de chuvas, que foi extremamente baixo, aliado à falta de política adequada para o setor energético, pois, no modelo adotado, os investimentos na geração e distribuição de energia foram reduzidos pelo governo brasileiro e os investidores privados não fizeram o aporte financeiro capaz de prover o país da energia elétrica necessária. Para evitar ou minimizar, no futuro, novos eventos semelhantes de racionamento de energia elétrica, o governo brasileiro buscou implementar uma matriz energética que não fosse apenas baseada no regime hídrico. A utilização de biomassa e gás natural, como fontes de energia elétrica, foi incentivada, através de programas de centrais termelétricas, com características basicamente de cogeração, ou seja, com a busca da máxima condição de rendimento térmico, situação esta que procura aproveitar, eficientemente, toda a energia disponível decorrente da combustão do gás natural ou biomassa. O modelo citado, entretanto, tem como aspecto principal, ser formado por centrais termoelétricas de grande porte, da ordem de 50 a 1.000 MW. Para escalas domésticas, cujo consumo de energia elétrica está na faixa de 30 a 300 kW, não havia modelo disponível e, para atender a esta realidade, foi implementado o projeto COGENCASA, convênio entre a Finep (Financiadora de Estudos e Projetos), PETROBRAS (Petróleo Brasileiro S.A.), COPERGÁS (Companhia Pernambucana de Gás S.A.) e a UFPE (Universidade Federal de Pernambuco). O projeto COGENCASA objetiva avaliar a viabilidade técnica e econômica do uso da micro-cogeração a partir do gás natural. Não processo de cogeração há a geração de energia elétrica, através do uso de um moto-gerador e de uma microturbina, e a energia ainda existente nos gases de combustão é recuperada através do uso de um recuperador de calor. A energia é recuperada pela água que passa pelo interior dos tubos da serpentina do recuperador de calor. Essa energia poderá ser utilizada para gerar frio,.

(18) através da utilização de um chiller de absorção, ou pode armazenada sob a forma de água quente, para substituir o chuveiro elétrico. Nos Estados Unidos, Canadá e países do norte da Europa, a instalação de o microturbinas é um mercado em crescente expansão, tendo um crescimento médio de 500%, entre 1999 e 2001 (fonte:CAPSTONE, 2002). O mercado de reaproveitamento do calor contido nos gases de combustão da microturbina também apresenta comportamento similar, apresentando-se, então, como fator de elevado potencial tecnológico e econômico, aliado aos aspectos ambientais, visto que este reaproveitamento possibilitará a redução do consumo de energia. Destaca-se, ainda, o enorme potencial do reaproveitamento energético, na forma de calor, que pode ser obtido a partir das instalações atuais, onde os gases de escapamento, de motores a combustão interna acionando geradores de energia elétrica, de fornos, caldeiras ou quaisquer outros equipamentos, estão sendo descarregados no ambiente com grande quantidade de energia térmica, na forma de calor sensível.. 1.1 MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO A recuperação de calor é uma ação razoavelmente comum nas indústrias, notadamente junto aos sistemas de geração de vapor. Benefícios tangíveis, tais como, aquecimento da água ou, até mesmo, a geração de frio através de um sistema de refrigeração por absorção são exemplo da possibilidade da aplicação direta e econômica da recuperação do calor. Na escala doméstica, cuja potência seja de, aproximadamente, 30 kW, não há uma cultura nem tecnologia nacional desenvolvida, devendo-se recorrer, invariavelmente, à importação de equipamentos e instalações. O desenvolvimento, abrangendo o projeto, fabricação e testes em um recuperador de calor possibilitará a disponibilização, no futuro, deste tipo de equipamento no mercado nacional, com capacidade compatível com as aplicações residenciais. No Brasil, a utilização de sistemas de cogeração baseados em microturbinas e recuperadores de calor ainda está em processo de pesquisa no Brasil, sendo encontradas, apenas, conforme a tabela 1.1, duas aplicações comerciais. No âmbito internacional há, também, uma busca na pesquisa e no aprimoramento da cogeração através de sistemas compostos por microturbina e recuperador de calor, com fins de aquecimento (climatização), geração de água quente ou refrigeração. Destaca-se, por fim, o potencial da utilização de sistemas de cogeração, baseados em microturbinas e recuperadores de calor, em: a) Empreendimentos não interligados à rede de distribuição de energia elétrica; b) Plantas de aterros sanitários, consumindo o gás combustível originado da decomposição do material depositado;.

(19) c) Instalações que disponham de biodigestores. Tabela 1.1 - Aplicações de microturbinas no Brasil. Local. Instituição. Aplicação. São Paulo,SP. SABESP/CENBIO CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM BIOMASSA ULTRAGAS Planta Mauá. Geração de energia elétrica tendo como combustível. Mauá, SP. Geração de energia elétrica. Itajubá, MG UNIFEI Geração de energia elétrica. Geração de energia elétrica. Rio de POSTO Geração de Janeiro, RJ BRACARENSE - energia elétrica PETROBRAS BR tendo como combustível o gás natural Rio de CENPESGeração de Janeiro, R PETROBRAS energia elétrica e de água quente. Niterói, RJ Universidade Geração de Federal energia Fluminense elétrica. Recife, PE Universidade Geração de Federal de energia Pernambuco elétrica e de água quente. Florianópolis, Universidade Geração de SC Federal de Santa energia elétrica Catarina e aproveitamento do calor dos gases de combustão.. Potência Quantidade Combustível instalada (kw) 30. 01. Biogás, originado da planta de esgoto.. 30. 01. Propano. 30. 02. Gás natural. 29. 01. Óleo diesel. 30. 03. Gás natural. 30. 01. Gás natural. 60. 01. Gás natural. 30. 02. Óleo diesel. 30. 01. Gás natural. 30. 01. Gás natural. Fonte: http://www.generaciondistribuida.com/GenDis/Aplic/Instalaciones/0,2378,ai_IdnLanguage_203, 00.html, acessado em 18.09.2005, às 12:01h..

(20) 1.2 O SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E RECUPERAÇÃO DE CALOR Instalado no laboratório do COGENCASA, o sistema de geração de energia elétrica tem uma capacidade de 30 kW, fornecendo energia elétrica a 220 V, monofásico. O aproveitamento do calor sensível existente nos gases de descarga de uma microturbina é utilizado para fornecer calor necessário ao funcionamento de um chiller de absorção. O chiller de absorção, por fim, resfria duas câmaras frigoríficas. Uma microturbina, na verdade um conjunto compressor, câmara de combustão, turbina e gerador elétrico, de fabricação CAPSTONE TURBINE CORPORATION, modelo 330, é alimentada com gás natural. Este equipamento, de origem norte-americana, opera a cerca de 96.000 rpm e aciona um gerador elétrico. Uma central eletrônica, instalada na microturbina, controla o equipamento. Os gases da combustão, resultantes do funcionamento da microturbina são direcionados para um recuperador de calor. Atualmente apenas uma empresa no mundo fabrica recuperadores de calor e o desenvolvimento de tecnologia neste tipo de equipamento será um dos resultados esperados neste trabalho. A parte do calor sensível dos gases, captado no recuperador de calor, é utilizada para aquecer água, que será aplicada em um chiller de absorção. Desta forma, este sistema será capaz de produzir “frio” utilizando o calor sensível contido nos gases de combustão, resultantes da combustão na microturbina..

(21) CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA MCDONELL (2001 e 2003) relata que, em um projeto desenvolvido pelo estado da Califórnia, Estados Unidos, com o objetivo de buscar novas opções de geração de energia elétrica foram instalados, inicialmente, 35 sistemas de cogeração, compostos de microturbinas e recuperadores de calor. A University of Califórnia, Irvine, realiza o acompanhamento do desempenho dos sistemas verificando características tais como emissões atmosféricas, emissões térmicas, potência elétrica gerada, eficiência, etc. Durante o período de 2001 até 2005 foram instalados 207 sistemas de cogeração, fornecendo uma potência elétrica de 7,6 MW, abastecendo 7.600 residências. Conforme HEDMAN (2002), o mercado da aplicação de microturbinas está em ampla expansão e tem como potenciais aplicações: a geração de energia elétrica e calor, fornecimento apenas de energia elétrica, fornecimento de energia em horários de pico ou em locais remotos, não atendidos pela rede de distribuição de energia elétrica. Nos Estados Unidos havia, em 2003, uma potência instalada de 190 MW e a distribuição das aplicações das microturbinas está indicada na figura 4.1.. Figura 2.1 – Distribuição da aplicação de microturbinas nos Estados Unidos, em 2003.. TAKAYAMA (2002) relata o estudo de dois casos onde há a instalação de sistemas de cogeração, instalados no Japão. O primeiro caso apresentado refere-se a uma microturbina que utiliza gases combustíveis residuais. Há a geração de energia elétrica e o calor recuperado é aplicado em um sistema de refrigeração pro absorção. No segundo caso citado, há a utilização de combustível originado da biomassa, decorrente de uma estação de tratamento de efluentes. RADERMACHER (2002) realizou experimentos em sistema de cogeração utilizando microturbinas de 100 kW. No teste realizado com microturbinas e recuperadores de calor foi encontrada a seguinte composição molar dos gases de combustão, a temperatura de saída de 260 ºC: N2 = 76,3%; O2 = 17,7%; H2O = 3,6% e CO2 = 1,4%. Conclui-se que o gás de combustão apresenta uma composição próxima ao.

(22) ar atmosférico. Isto deve-se ao fato de que na microturbina o ar admitido tem um excesso de ar de cerca de 300%. ZALTASH e RIZY (2002) realizaram experimentos em um sistema de microturbinas de 30 kW. Foi verificado o desempenho da microturbina sem e com o recuperador de calor. No experimento com o recuperador de calor a água foi aquecida até 88 ºC e a mesma foi utilizada para fornecer calor para um chiller de absorção de 10 TR (35 kW). Constatou-se que o rendimento da microturbina é de cerca de 23%, para a condição de plena carga (30 kW) e é reduzido para 18% quando a carga é reduzida para 10 kW. Abaixo de 10 kW o rendimento é bruscamente reduzido, não sendo viável a sua utilização nestas condições. As emissões atmosféricas, conforme figura 3.**, foram medidas e encontrados os valores de: ~3 ppm NOX (medido para 18,5% O2); ~8 ppm NOX (corrigido para 15% O2). O calor recebido pela água, para a condição de 4,3 m3/h, foi medido para as potências de 10kW, 15kW, 20kW e 24kW. Os valores obtidos estão indicados na figura 4.2. 170000. 50. Heat Recovered (Btu/h). 40 130000 35 110000 30 90000 25 70000. Heat Recovered (kW). 45. 150000. 20. 50000. 15 5. 10. 15. 20. 25. 30. Power Output (kW). Figura 2.2 - Calor recuperado pela água, vazão da água 4.3 m3/h. DONNEL et al (2002) desenvolveram procedimentos para teste e qualificação de microturbinas. Os testes estão sendo especificados para serem realizados com uma.

(23) duração curta e abrangerá aspectos de desempenho elétrico, desempenho térmico, emissões atmosféricas, níveis emissões acústicas (ruído), operação e manutenção. STEWART (2003) apresenta a modificação no recuperador de calor que passou a ser instalado na parte superior das microturbinas de 60 kW. Esta nova concepção apresenta a vantagem de não ocupar espaço, visto estar o recuperador sobre a microturbina e, também, facilita o fluxo dos gases de combustão, que passam a escoar em decorrência do efeito da sua baixa densidade. HOLDE (2003) verificou que, nos Estados Unidos e Europa, a aplicação de microturbinas está associada, além da geração de energia elétrica, à utilização dos gases de combustão diretamente em estufas, visto que nas microturbinas estes gases apresentam um elevado teor de oxigênio além de baixo teor de contaminantes. A utilização de biogás, originado de aterros e estações de tratamento de esgotos também é bastante vantajosa, haja visto que o combustível, originado dos processos nos aterros ou estações de tratamento de efluentes, apresenta baixo custo. Um programa de desenvolvimento de sistema de refrigeração utilizando a cogeração com microturbinas de recuperadores de calor está sendo implementado no Canadá, conforme BRANDON (2003). Busca-se, neste projeto, uma padronização do sistema de cogeração de forma que a associação do mesmo com um sistema de refrigeração possa ser facilmente realizada, acarretando menor custo e maior eficiência global. JAMES (2003) descreve um programa desenvolvido pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos que projeta e opera microturbinas que utilizam o metano biológico originado da decomposição dos resíduos dos animais. Em um digestor anaeróbico o resíduo animal é processado e produz o biogás, que contém metano. Melhorias foram efetuadas no dispositivo de tratamento do biogás objetivando um aumento do rendimento e redução das emissões atmosféricas. SHINMURA (2003) apresenta as pesquisas realizadas para aumentar o desempenho das microturbinas, que passaram a atingir um desempenho de 26,7% e com níveis de emissão menores que 2,5ppm. Nas microturbinas foram projetados e instalados recuperadores de calor, incorporados na forma anular, e a combustão passou a ser realizada em dois estágios..

(24) CAPÍTULO 3 - OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GERAL Determinar, através de uma análise experimental, o desempenho de um recuperador do calor sensível contido nos gases do escape de uma microturbina que utiliza gás natural como combustível, na condição de potência elétrica fornecida pela microturbina, possibilitando o desenvolvimento de tecnologia no projeto, fabricação e operação de recuperadores de calor.. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3.2.1 Projetar, instalar e operar uma bancada de teste para o recuperador de calor; 3.2.2 Coletar os dados referentes ao funcionamento do recuperador de calor; 3.2.3 Desenvolver um programa que calcule o calor fornecido pelos gases de combustão e o calor recebido pela água; 3.2.4 Comparar os resultados do teste de funcionamento do recuperador de calor, itens 3.2.1 e 3.2.2, com os resultados apresentados pelo programa, item 3.2.3..

(25) CAPÍTULO 4 – CONCEITO BÁSICOS 4.1 COGERAÇÃO A geração conjunta de energia elétrica e calor a partir de um combustível é denominada de Cogeração, estando este princípio em larga escala de aplicação, visto que apresenta elevado rendimento quando comparado com os sistemas baseados em geração independentes da energia elétrica e do calor.. Figura 4.1 – Vantagens da aplicação da cogeração. ( Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17). Em um sistema onde ocorre a geração independente de energia elétrica o rendimento médio encontrado é de 55%, enquanto em um sistema de cogeração o rendimento médio pode chegar a 71%, conforme indicado na figura 4.1. Conforme LORA (2004) a cogeração pode ser classificada em: a) Cogeração com turbina a gás O sistema é composto do compressor, câmara de combustão, turbina a gás, gerador elétrico e do recuperador de calor. O ar é aspirado da atmosfera e comprimido, sendo direcionado à câmara de combustão, onde é misturado com o combustível. Na câmara ocorre a combustão e o gás quente flui passando na turbina e movimentando-a. O movimento da turbina efetua a rotação do compressor e do gerador de energia elétrica, produzindo-se, assim, a energia elétrica. O gás quente, após passar pela turbina,.

(26) é direcionado ao recuperador de calor, onde o calor existente no gás é transferido ao meio desejado (água a ser aquecida, geração de vapor, etc.).. Figura 4.2 – Cogeração com turbina a gás ( Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17). A utilização de microturbinas e recuperadores de calor obedece ao conceito de sistemas de cogeração com turbinas a gás. b) Cogeração com turbina a vapor. Em uma caldeira convencional ocorre a combustão e a conseqüente vaporização da água. O vapor gerado, então, é direcionado para a turbina a vapor onde ele é submetido a uma expansão e efetua a movimentação do eixo da turbina. Desta forma, a turbina a vapor movimenta o gerador, produzindo-se energia elétrica. O vapor, ao sair da turbina, será utilizado em um processo industrial, fornecendo calor.. Figura 4.3 - Cogeração com turbina a vapor (Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17).

(27) c) Cogeração com motor alternativo. Motor de combustão interna, geralmente do ciclo Diesel, utiliza combustível e movimentam o gerador de energia elétrica. Os gases de combustão são direcionados a um recuperador de calor que efetuará a transferência de calor para a água que será utilizada no processo industrial.. Figura 4.4 - Cogeração com motor alternativo ( Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17). 4.2 TROCADORES DE CALOR Os trocadores de calor são equipamentos são equipamentos de ampla utilização, sendo encontrados, praticamente, em todos os tipos de processo e indústrias. Têm como função básica proceder a transferência de calor entre dois fluidos. Salienta-se que a denominação “trocador de calor”, mesmo sendo de ampla utilização na literatura e, principalmente, na área industrial, não é a mais adequada para descrever este equipamento, pois, não há “troca de calor” e, sim, a transferência de energia térmica, de um fluido para outro. O termo “transferidor de calor” seria mais adequado, porém, neste texto, para manter a linguagem corrente, utilizaremos, também, a terminologia “trocador de calor”. 4.2.1 Classificação dos trocadores de calor Há várias categorias em que os trocadores de calor podem ser classificados, entretanto são descritas as características daqueles apresentados na seguinte classificação: CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES. Quanto ao processo de transferência de calor. Quanto à direção e sentido dos fluidos. Quanto à forma construtiva. Figura 4.5 - Classificação dos trocadores de calor ..

(28) 4.2.1.1 Quanto ao processo de transferência de calor QUANTO AO PROCESSO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR. Contato direto. Contato indireto. Transferência através de superfície separando os fluidos. Transferência através de elementos de armazenamento de calor. Figura 4.6 - Classificação dos trocadores de calor quanto ao processo de transferência de calor.. a) Trocadores de calor com fluidos em contato direto Nestas aplicações os fluidos têm contato direto entre si, passando a se misturar, ou seja, ao entrarem no trocador de calor os fluidos se misturam, ocorre a transferência de energia térmica entre os mesmos e eles saem do equipamento em um só fluxo. Verifica-se, então, que há, além da transferência de calor uma transferência de massa, associada a uma ação de condensação. Este tipo de processo possibilita elevadas taxas de transferência de calor. As torres de destilação são exemplos desta aplicação, que possui baixo custo de fabricação e construção.. Figura 4.7 - Destilador que utiliza o princípio do contato direto..

(29) b) Trocadores de calor com fluidos em contato indireto A principal característica deste processo é que os fluidos permanecem separados um do outro à medida que o calor é transferido continuamente entre eles. É, de longe, o processo mais comum de aplicação. b.1) Transferência através de superfície separando os fluidos Um dos fluidos percorre, continuamente, uma câmara específica, separada da câmara percorrida, também continuamente, pelo outro fluido. Através de uma superfície física e quimicamente adequada ocorre a transferência permanente de energia térmica do fluido de maior temperatura para o fluido de menor temperatura.. Figura 4.8 - Transferência através de superfície separando os fluidos. Os tipos mais comuns destes trocadores de calor são: de placas, tubular e de superfície estendida. b.2) Transferência através de elementos de armazenamento Neste processo os fluidos percorrem, alternadamente, as mesmas passagens. Nestas passagens há elementos que absorvem o calor, quando da passagem do fluido quente, e transferem este calor, quando da passagem do fluido frio. Estes elementos, usualmente denominados de matriz, devem ser compatíveis com os fluidos e possuem elevada área de contato com os fluidos. Uma das principais aplicações deste processo é na recuperação do calor decorrente da combustão em alto-fornos. Nesta aplicação, os gases resultantes da combustão passam através das câmaras de recuperação de calor. O ar de combustão passará, posteriormente, nesta câmara, sendo aquecido..

(30) Figura 4.9 - Trocador por transferência de calor através de elementos de armazenamento. 4.2.1.2 Quanto à direção e sentido dos fluidos QUANTO À DIREÇÃO E SENTIDO DOS FLUIDOS. Correntes em paralelo. Correntes opostas. Correntes cruzadas. Figura 4.10 - Classificação dos trocadores de calor quanto à direção e sentido dos fluidos.. a) Trocadores de correntes em paralelo Nestes equipamentos os fluidos percorrem trajetórias que têm a mesma direção e o mesmo sentido. A figura 4.11 ilustra a configuração deste equipamento.. Figura 4.11. Trocador de calor de correntes paralelas. Pode-se verificar, através da figura 4.12, a distribuição da temperatura ao longo do comprimento do trocador de calor de correntes paralelas..

(31) Temperatura. Fluido que cede energia térmica. Fluido que recebe energia térmica. Comprimento do trocador de calor Figura 4.12. Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um trocador de calor de correntes paralelas.. As vantagens desta aplicação são: a simplicidade construtiva e a não ocorrência de uma área de elevada temperatura. Como desvantagem há a impossibilidade de que o fluido a ter a temperatura elevada não possa atingir uma temperatura maior que a temperatura de saída do fluido que está cedendo calor. b) Trocadores de correntes opostas Mesmo percorrendo a mesma direção, neste caso, os fluidos têm sentidos opostos, conforme indica a figura 4.13.. Figura 4.13. Trocador de calor de correntes opostas. Temperatura. A distribuição da temperatura ao longo do comprimento do trocador de calor decorrente opostas está indicada na figura 3.14.. Fluido que cede energia térmica. Fluido que recebe energia térmica. Comprimento do trocador de calor Figura 4.14. Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um trocador de calor de correntes opostas..

(32) Para esta configuração há um maior rendimento na transferência de calor, o que possibilita uma menor área de troca térmica, quando comparado com o trocador de correntes em paralelo. Outro aspecto positivo é que é possível a obtenção, no fluido que está tendo a temperatura elevada tenha uma temperatura maior que a do fluido que está tendo a temperatura diminuída. Entretanto, há uma região do trocador que está exposta a elevada temperatura, característica esta que facilita os eventuais processos de corrosão e/ou reduzem a pressão máxima de trabalho, pois baixam a resistência mecânica do material utilizado na fabricação do equipamento. c) Trocadores de correntes cruzadas As trajetórias dos fluxos, neste equipamento, possuem direções, geralmente, perpendiculares, como indicadas na figura 4.15.. 4.15-Trocador de calor de fluxos cruzados.. Estes equipamentos são aplicados quando um dos fluidos possui elevada vazão e/ou pequeno coeficiente de transferência de calor, em relação ao outro fluido. 4.2.1.3 Quanto à forma construtiva QUANTO À FORMA CONSTRUTIVA. Casco e tubo. Tubular. Placa. Tubo duplo. Serpentina. Figura 4.16. – Classificação dos trocadores de calor quanto à forma construtiva..

(33) a) Trocador de calor tubular Caracterizam-se por apresentar, pelo menos, um dos fluidos percorrendo a sua trajetória através de um conjunto de tubos. a.1) Trocador de calor de casco e tubo Um dos fluidos passa através de um conjunto de tubos, denominado feixe tubular e o outro fluido, passa por fora deste feixe tubular, mas por dentro de um corpo cilíndrico, que o envolve.. Figura 3.17. – Feixe tubular.. Figura 4.18. – Desenho, em corte, de um trocador de calor de casco e tubos.. Os trocadores de calor casco e tubos são os mais utilizados nos processos industriais, pois são facilmente adaptáveis às mais variadas condições operacionais (elevadas pressões e/ou elevadas vazões) às características dos fluidos (corrosão, viscosidade, etc.); são os mais versáteis, podendo ser fabricados em larga variedade de materiais, desde o aço carbono até ligas metálicas nobres..

(34) a.2 Trocador de calor de tubo duplo Construídos a partir de dois tubos concêntricos, estes trocadores de calor é de funcionamento bastante simples. Um dos fluidos escoa através do tubo interno e o outro fluido percorre através do espaço anular entre o tubo interno e o tubo externo. São aplicados em condições de pequenas vazões. São de fácil operação e manutenção.. Figura 4.19. – Trocador de calor de duplo tubo.. a.3 Trocador de calor de feixe em serpentina Um feixe tubular, na forma de espiral, é instalado no interior de um corpo cilíndrico. O fluido que percorre o interior do feixe tubular efetua a transferência de calor para o fluido que está contido no corpo cilíndrico. Apresenta, esta forma construtiva, elevada área de troca térmica, em relação às outras concepções de construção.. Figura 4.20. – Trocador de calor com feixe em serpentina...

(35) b.2 Trocador de calor de pl Placas planas são colocadas paralelamente umas às outras. Conforme indicado na figura 4.21, um dos fluidos passa por um conjunto de espaços entre as placas e o outro fluido passa pelos demais espaços.. Fluido. Placas. ..... Fluido. Figura 4.21. – Fluxos em um trocador de calor de placas.. Figura 4.22. – Trocador de calor de placas.

(36) 4.2.1.4 Recuperadores de calor A utilização do calor contido nos gases de combustão é de grande importância para o aumento do desempenho dos sistemas de combustão, diminuição do consumo de combustíveis e redução das emissões atmosféricas. Segundo REED (1986) podemos classificar a utilização do calor dos gases de combustão em: a) Recuperadores: são trocadores de calor, geralmente gás-gás ou gás-líquido, que possibilitam a transferência de calor dos gases de combustão para o fluido que se deseja aquecer. Podem apresentar diversas configurações construtivas: corrente paralela, contra-corrente ou corrente cruzadas. O desempenho térmico destes equipamentos aumenta com o aumento do número de Reynolds, sendo, portanto, desejados elevadas vazões, velocidades e baixa viscosidade. b) Regeneradores: são trocadores de calor baseados em elementos de armazenamentos. Durante um ciclo, o gás quente passa em uma câmara cedendo calor para os elementos de armazenamento enquanto, em outra câmara, o fluido frio recebe calor dos elementos de armazenamento que foram aquecidos no ciclo anterior. Após certo período, os fluxos são invertidos, fazendo com que o gás quente passe para a câmara por onde passava o fluido frio e este último passará pela câmara por onde escoava o fluido quente. 4.2.1.5 Aspectos térmicos dos trocadores de calor A determinação das características de transferência de calor em um trocador de calor é complexa, visto que os aspectos específicos das resistências térmicas presentes possuem propriedades de difícil determinação. Para sistematizar e facilitar o projeto é determinado o coeficiente global de troca térmica, simbolizado por U. 4.1.2.6 Coeficiente global de troca de calor A troca de calor entre dois fluidos, tendo entre os mesmos uma superfície separando-se, pode ser representada pela figura 4.23. Onde: T∞1............ Temperatura do fluido quente, em condição de corrente livre; Tsup1...........Temperatura da superfície, lado do fluido quente; h1...............Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido quente; T∞2........... Temperatura do fluido frio, em posição afastada da superfície; Tsup2...........Temperatura da superfície, lado do fluido frio; h2................ Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido frio;.

(37) Rk................Resistência térmica do material da superfície que separa os fluidos (inverso da condutividade térmica).. T∞,1 h1. h2. Tsup,1. Fluido frio. Fluido quente Tsup,2. T∞,2 Rc1. Rk. Rc2. Parede que separa os fluidos Figura 4.23. – Representação esquemática da transferência de calor.. Analogia elétrica da transferência de calor: Rc1. T∞,1. Rc2. Rk. Tsup,1. Tsup,2. q = U.At.(T∞,1 – T∞,2). T∞,2. (4.1). Figura 4.24. – Circuito térmico equivalente.. Nestas condições o calor transferido pode ser determinado pela expressão (4.1), onde U é o coeficiente global de transferência de calor. A expressão (4.1) é semelhante à expressão da Lei de Ohm, que relaciona a resistência elétrica com a corrente elétrica e a tensão elétrica. 4.2.1.7 Trocadores de calor compactos Os trocadores de calor compactos têm grande aplicação em função da característica de conciliar elevadas áreas de troca térmica com pequeno volume ocupado, sendo utilizados em situações onde o espaço disponível para a instalação do trocador é reduzido ou limitado por questão de peso..

(38) Pelo menos um dos fluidos, neste tipo de trocador de calor, é um gás. Para aumentar a eficiência da troca térmica, a superfície por onde circula o gás é estendida através da adição de aletas. Ao mesmo tempo em que possibilitam uma melhor transferência de calor as aletas passam a exigir uma maior potência para o deslocamento do fluido, visto que tendem a aumentar a perda de carga. 4.2.1.8 Projeto térmico de um trocador de calor compacto Para um trocador de calor compacto, com dois fluidos, os principais parâmetros relativos à transferência térmica são: U................Coeficiente global de transferência de calor; At...............Área de troca térmica; T∞1............ Temperatura do fluido quente, em condição de corrente livre Tsup1...........Temperatura da superfície, lado do fluido quente; h1................Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido quente; T∞2........... Temperatura do fluido frio, em posição afastada da superfície; Tsup2...........Temperatura da superfície, lado do fluido frio; C1...............Capacidade calorífica do fluido quente; C2...............Capacidade calorífica do fluido frio. Arranjo......Correntes paralelas, correntes opostas e fluxo cruzados. Conforme a equação (4.1), temos: Reescrevendo:. q = U.At.(T∞,1 – T∞,2). (4.1). q/At = U(T∞,1 – T∞,2). (4.1.a). A relação q/A retrata o fluxo de calor por unidade de área e é a base para o dimensionamento térmico dos trocadores de calor. O coeficiente global de transferência de calor, U, retrata qual é o fluxo de calor por unidade de área, q/A, decorrente da diferença de temperatura, (T∞,1 – T∞,2). O recíproco de U representa toda a resistência térmica existente, que é decorrente dos seguintes fatores: (i) (ii) (iii) (iv). Componente de convecção do lado do fluido quente, incluindo a ineficiência térmica das aletas, se existentes; Inverso da condutividade térmica do material da parede; Componente de convecção do lado do fluido frio, incluindo a ineficiência térmica das aletas, se existentes; Fatores operacionais existentes em ambos os lados, quente ou frio (incrustações, corrosões, etc.).. Desconsiderando os fatores descritos no item (iv), a seguinte expressão descreve a resistência térmica global: 1/U1 = 1/η1h1 + a/(Ap/A1)k1 + 1/(A2/A1) η2k2. (4.2).

(39) 1/U2 = 1/η2h2 + a/(Ap/A2)k1 + 1/(A1/A2) η1k1. (4.3). Onde: Ap.......Área média da parede; A1.......Área total do lado do fluido quente; A2.......Área total do lado do fluido frio; η1........Efetividade térmica da superfície do lado do fluido quente; η2........Efetividade térmica da superfície do lado do fluido frio; U1.......Coeficiente global de transferência de calor, por unidade de área do lado do fluido quente; U2.......Coeficiente global de transferência de calor, por unidade de área do lado do fluido frio. Pelo princípio da conservação de energia: U1 A1= U2 A2. (4.4). Se não há aletas os valores η1 de η2 e são unitários. Desta forma, Ap=(A1+A2)/2. Na maioria das vezes, entretanto, objetivando o aumento da eficiência térmica, são utilizadas superfícies estendidas. A projeção, então, das aletas no fluido causa um gradiente térmico nas mesmas, o que provoca uma redução da eficiência da aleta, η1<1 . Desta forma: η1 = 1 – (A2/A) (1- η2). (4.5). Segundo Kays (1984), nos trocadores de calor gás-água o componente da resistência térmica da parede pode ser desprezado, pois é muito menor que as resistências térmicas existentes nos lados dos fluidos.. 4.3 TERMOPARES A medição da temperatura é uma das ações nos processos industriais. Vários princípios físicos são utilizados nestas medições sendo os mais freqüentes: dilatação de líquidos, dilatação de gases, variação da resistência elétrica e geração de tensão elétrica. Os termopares são instrumentos onde, a presença de dois metais diferentes unidos em uma extremidade, de modo a formar uma junção, gera uma tensão elétrica que é função da temperatura e esta característica é denominada de “efeito termoelétrico”. A extremidade onde os metais são unidos é denominada de “junta quente”, pois é esta que será colocada no local onde é desejada a medição da temperatura. Convém salientar que a união dos metais deve ser feita utilizando-se, apenas, os dois tipos de metais, para evitar-se a medição incorreta da temperatura. A extremidade oposta, onde os dois metais não estão unidos é denominada de “junta fria”, pois é onde será instalado o instrumento que irá medir a tensão elétrica gerada (da ordem de mV)..

(40) Observa-se, então, que há uma diferença de temperatura entre a “junta quente” e a “junta fria”. Ocorre, então, uma geração da tensão elétrica que é função linear desta diferença de temperatura. Como a temperatura da “junta fria” é sabida, a temperatura da “junta quente” poderá ser determinada. Há vários tipos de metais que podem ser utilizados em termopares, sendo os mais comuns àqueles indicados na tabela 4.1 Tabela 4.1 - Termopares mais comuns e suas características principais Tipo de Liga Faixa recomendada de utilização (ºC) termopar J Ferro / Constantan -210 a 760 K Chromel / Alumel -270 a 1.200 Platina S -50 a 1.768 Pt/Rh (90/10) W W/Rh (26/74) 2.500 T Cobre / Constantan -270 a +400 L Ferro / Cobre-níquel -200 a +900 Notas: Constantan (55% Cu, 45% Ni); Chromel: (90% Ni, 10% Cr); Alumel (96% Ni, 2% Mn, 2% Al). Fonte: WERNECK (1996). Ponto de medição. Termopar. Referência. Instrumento de medição. Figura 4.25 – Esquema básico de ligação de termopares. 4.4 TUBO PITOT A medição da velocidade de um fluido pode ser feita através de um instrumento chamado “tubo Pitot”, em homenagem ao seu inventor, Henri Pitot. Os princípios da hidrodinâmica regem o funcionamento deste instrumento..

(41) 1. 2. Figura 4.26. – Tubo Pitot.. A equação de Bernoulli relaciona a pressão termodinâmica, velocidade e a posição de um fluido: P/γ +. v2/(2.g). + z = constante. (4.6). Onde: P......pressão estática γ.......peso específico v.......velocidade g.......aceleração da gravidade z.......posição Um fluido escoando em um duto pode ter a sua pressão estática medida através de instrumentos e, em função da equação de Bernoulli, pode ser determinada a velocidade do escoamento, permitindo, por fim, o cálculo da vazão. Dentre os instrumentos mais utilizados o tubo de Pitot apresenta a vantagem de apresentar elevada precisão associada ao baixo custo de instalação. Em função das características de instalação a variável posição não influencia na medição, podendo ser desprezada. A velocidade do fluido atinge o valor zero quando o fluido chega na extremidade do tubo de Pitot, ponto 1 da figura 4.26 Neste ponto a energia cinética do fluido é transformada em energia piezométrica (energia de pressão). Esta pressão é denominada pressão de estagnação, P1. Através de pequenos orifícios em uma região ao longo do tubo de Pitot é medida a pressão estática, P2, ponto 2 da figura 4.26. Desprezando as variações do peso específico e da posição (cotas z1 e z2), pela equação de Bernoulli podemos concluir que: P1/γ +. v12/(2.g). + z1 = P2/γ + v22/(2.g). P1/γ = P2/γ + v22/(2.g). + z2. (4.7) (4.8).

(42) V2= [2 . (P1 – Po)/ρ]1/2. (4.9). Onde: Po......pressão ρ.........massa especifica Sendo assim, sabendo-se o diâmetro do conduto e a massa específica do fluido a vazão pode ser determinada: V= Ar . v2. (4.10). V = (π . d2/4) . v2. (4.11). 4.5 MEDIDOR VOLUMÉTRICO Este tipo de instrumento efetua a medição da vazão através da movimentação de um elemento causado pelo fluxo do fluido. Este elemento, ao girar, em função da vazão, gera um sinal proporcional ao deslocamento do fluido.. Figura 4.27. – Medidor de vazão de água. O sinal gerado pelo elemento corresponde a uma onda quadrada, cuja freqüência é proporcional à vazão da água e a amplitude é função da tensão elétrica de alimentação. Um controlador recebe o sinal gerado pelo medidor de vazão e calcula a vazão em função da freqüência do sinal, apresentando o valor no display..

(43) CAPÍTULO 5 – EQUIPAMENTOS. INSTALAÇÃO. DO. COGENCASA. E. 5.1 INSTALAÇÃO DO COGENCASA O COGENCASA é um laboratório, instalado na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e vinculado Departamento de Engenharia Mecânica, tem como objetivo a pesquisa na geração de energia elétrica e climatização (refrigeração). Decorrente de um convênio entre a UFPE e a PETROBRAS, firmado em 2001, o COGENCASA possibilita aos alunos de graduação e pós-graduação, mestrado, a pesquisa da utilização do gás natural, que é fornecido pela COPERGÁS, Companhia Pernambucana de Gás Natural. A área construída do COGENCASA é de 250 m2 e estão instalados os equipamentos indicados no quadro 5.1 Quadro 5.1 – Equipamentos instalados no COGENCASA CARACTERÍSTICAS DESCRIÇÃO FABRICANTE TÉCNICAS Microturbina CAPSTONE 30 kWe Recuperador de calor IMELZA 50 kWth Acumulador 2 m3 Chiller de absorção YAZAKI 50 kWth (33 TR) Câmara frigorífica POLIFRIO 33 TR Sala climatizada POLIFRIO 3 TR Torre de refrigeração ALPINA 80 kW Os equipamentos operam em conjunto, conforme descrito a seguir, exceto o motor-gerador, que é independente dos demais e apenas fornece energia elétrica, consumindo gás natural. O recuperador de calor, objeto deste trabalho, está instalado no laboratório COGENCASA e faz parte de um sistema que tem como função a geração de energia elétrica e funcionamento de equipamentos de refrigeração, cujo sistema é apresentado na figura 5.1. M. R. Ac. C. F. Figura 5.1 – Esquema básico do sistema COGENCASA.. T.

(44) Onde: M.....Microturbina R......Recuperador de calor A......Acunulador C.......Chiller de absorção F........Câmara frigorífica T........Torre de resfriamento Gás natural Gases de combustão Água aquecida Água a ser aquecida Água aquecida para o chiller Água do chiller para a câmara frigorífica Água de retorno da câmara frigorífica para o chiller Água de retorno do chiller para o acumulador Água do chiller para a torre Água da torre para o chiller Bomba de circulação. A microturbina (M) é alimentada por gás natural e gera energia elétrica. Os gases de combustão que saem da microturbina passam através dos tubos do recuperador de calor (R) e transferem energia térmica a água. Esta, por sua vez, é colocada em circulação através das bombas de circulação e, passando pelo acumulador (Ac), chegam no chiller de absorção (C), onde propiciam a obtenção da refrigeração. O chiller de absorção (C) realiza a climatização de uma câmara de refrigeração, de 10 TR (toneladas de refrigeração) de capacidade, e uma sala climatizada, de três TR. No acumulador (Ac) há a mistura do fluxo de água que sai do recuperador de calor (R) com a água que vai para o chiller de absorção (C). Este fato aumenta a eficiência da transferência de calor. Todas as tubulações de circulação dos gases de combustão e de água são termicamente isoladas para evitar a perda e calor para o ambiente.. 5.2 MICROTURBINA Microturbinas são equipamentos similares às turbinas de grande porte e apresentam-se com capacidade de 30 a 400 kW. São equipamentos estacionários e são utilizadas para a geração e podem ser utilizadas em locais com limitações de espaço. Geralmente as microturbinas podem consumir uma vasta gama de tipos de combustíveis dentre os quais destacamos o gás natural, propano, metano, butano, óleo diesel ou querosene..

(45) Por apresentar pequena quantidade de peças móveis (basicamente o conjunto rotativo, composto do rotor do compressor, eixo e rotor da turbina) a microturbina possui elevada confiabilidade, podendo operar por até 8.000 horas (um ano), sem interrupções para a manutenção. No COGENCASA a microturbina pode fornecer potência elétrica de 30 kW, nas condições ISO e o fluxo dos gases de combustão possuem uma potência de 70 kW. O combustível tem como origem a unidade de produção de gás natural, em Guamaré, RN e apresenta a seguinte cuja composição química média é: Tabela 5.2 - Características típicas do gás natural, originado de Guamaré (RN) Composição, % volume 83,22 • Metano 11,11 • Etano 0,53 • Propano 3,03 • Gás carbônico 2,11 • Nitrogênio Poder calorífico superior 11 744 • kcal/kg 3 9 880 • kcal/m a 0ºC 3 9 206 • kcal/m a 20ºC Poder calorífico inferior 10 617 • kcal/kg 3 8 932 • kcal/m a 0ºC 3 8 322 • kcal/m a 20ºC Massa molecular 18,84 Massa específica (densidade) 0,8412 • kg/ m3 a 0ºC 0,7838 • kg/ m3 a 20ºC 0,6506 • relativa à massa específica do ar Número de Wobbe 12 248 • kg/ m3 a 0ºC Ar teórico 15,28 • kg ar / kg gás 3 3 9,94 • m ar / m gás Fonte: GARCIA (2002) 5.2.1 Funcionamento da microturbina O ar de combustão passa pelo compressor, que é acionado pela turbina, sendo comprimido. O gás natural é introduzido na câmara de combustão e é misturado ao ar de combustão. O gás de combustão realiza expansão na turbina. A potência então gerada na turbina é utilizada para: i) ii). movimentar o compressor, possibilitando o fornecimento de ar de combustão; movimentar o gerador elétrico, disponibilizando energia elétrica, com 30 kW, 220V, 60 Hz, monofásico..

(46) O gás de combustão, após passar pela turbina é direcionado para um recuperador de calor, onde parte do calor sensível do gás de combustão será transferido para a água que circula no recuperador de calor.. Figura 5.2. – Microturbina.. 5.2.2 Componentes da microturbina Gerador elétrico Compressor Recuperador de calor. Câmara de combustão. Turbina. Mancais a ar Figura 5.3 – Microturbina em perspectiva e em corte. (Fonte: catálogo CAPSTONE).

(47) Os principais componentes da microturbina são: i). Gerador elétrico: gera a energia elétrica;. ii). Compressor: pressuriza o ar de combustão;. iii). Recuperador de calor: possibilita o aquecimento do ar de combustão através da transferência de calor dos gases de combustão;. iv). Câmara de combustão: local onde é feita a mistura do ar de combustão com o combustível e ocorre a queima desta mistura;. v). Turbina: elemento que tem como função propiciar a expansão dos gases de combustão gerando trabalho mecânico;. vi). Mancais a ar: suportam o conjunto rotativo (compressor e turbina).. Eixo. Rotor da turbina. Rotor do compressor. Figura 5.4 – Vista do conjunto rotativo da microturbina, composto de eixo, rotor do compressor e rotor da turbina.. 5.3 RECUPERADOR DE CALOR O calor sensível existente nos gases de combustão é transferido para a água em um trocador de calor. Em um feixe tubular a água passa no interior dos tubos e o gás de combustão passa pela parte externa. Para aumentar a eficiência na parte externa dos tubos são colocadas aletas. Um controlador comanda um defletor para que seja controlada vazão do gás de combustão. Um sensor de temperatura, instalado na linha de saída de água do recuperador informa o valor da temperatura da água para o controlador. Em função do valor para o qual está regulado (set point) o controlador comanda o posicionamento do defletor de forma que: a) Caso a temperatura da água esteja abaixo do valor regulado, o defletor será movimento para a posição em que os gases de combustão serão direcionados aos.

(48) tubos do recuperador de calor, possibilitando, assim, que ocorra o aquecimento da água no recuperador de calor; b) Caso a temperatura da água esteja acima do valor regulado, o defletor será movimentado para a posição em que os gases de combustão serão direcionados para a chaminé, não mais passando pelos tubos do recuperador de calor.. Figura 5.5 – Recuperador de calor.. O valor de regulagem do controlador do defletor é de 84 ºC, para a temperatura da água de saída do recuperador de calor.. Defletor Feixe tubular. (a). (b). Figura 5.6 – Sistema de controle da vazão do gás de combustão..