ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS
RECUPERAÇÃO DA ENTALPIA DOS GASES DE
COMBUSTÃO EM SISTEMAS DE MICRO
COGERAÇÃO DOMÉSTICA
Paulo Jorge Felizardo Mourão
Dissertação apresentada à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges do Departamento de Engenharias da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.
II
Resumo
Neste trabalho será estudado um sistema de recuperação da entalpia dos gases de combustão num sistema de micro cogeração residencial, considerando as necessidades energéticas de uma habitação residencial. Para isso, propõe-se um estudo energético, económico e ambiental.
No estudo energético serão determinadas as condições mínimas de funcionamento, e a eficiência do sistema em condições adaptadas às reais; desenvolvendo folhas de cálculo para o dimensionamento do permutador, e de todos os equipamentos a ele associado, como o gerador a gás natural, tubos de cobre para o sistema de escape e o reservatório de água onde esta vai ser aquecida.
No estudo económico pretende-se concluir acerca da viabilidade de implementação de um sistema de micro-cogeração incluindo, a possibilidade de venda de energia elétrica à REN (rede de energia nacional).
No estudo ambiental pretende-se avaliar a redução de emissões de gases com efeito de estufa, comparando com as emissões do sistema de micro cogeração e uma caldeira mural com um rendimento de 85%.
III
Abstract
In this work, the main issue is to study of the recovery of the enthalpy from the exhaust gas using a domestic micro cogeneration system.
For this, excel cells were created for the dimension of the heat exchanger and calculated the chemistry and thermodynamic variables.
With this, the dimension of the water tank for sanitary hot water supply and a generator running on natural gas can be sized.
For better understanding and for viability of the work, three main studies were under consideration, the energy, the economic and the environmental study.
IV
Agradecimentos
À minha família, Pais e Irmã, que sempre me apoiaram, nos bons e maus momentos. À minha namorada, pela motivação e confiança.
Uma palavra em especial para a magnífica cidade de Vila Real e a toda a sua gente. Finalmente uma palavra para o meu orientador, Amadeu Borges, Professor auxiliar na UTAD, no departamento de Engenharia Mecânica, pela sua disponibilidade e motivação.
V
Índice de tabelas e figuras
Tabela 1 - Propriedades da água Tabela 2 - Variáveis térmicas da água
Tabela 3 - Propriedades dos gases de combustão para a temperatura média Tabela 4 - Dimensões dos tubos de cobre
Tabela 5 - Variação logaritimica da temperatura
Tabela 6 - Coeficiente de transmissão térmica por convecção forçada Tabela 7 - Propriedades dos gases de combustão com 15 tubos
Tabela 8 - Coeficiente de transmissão térmica por convecção forçada com 15 tubos Tabela 9 - Valores das dimensões de tubos para ¼ de polegada.
Tabela 10 - Coeficientes térmicos dos gases de combustão Tabela 11 - Número de tubos
Tabela 12 - Propriedades dos gases de combustão com 9 tubos
Tabela 13 - Valores do coeficiente de transmissão térmica por convecção forçada Tabela 14 - Valores das dimensões de tubos alhetados ¾ (L-fin).
Tabela 15 - Propriedades dos gases de combustão com 2 tubos
Tabela 16 - Valores do coeficiente de transmissão térmica por convecção forçada Tabela 17 - Area de transferência de calor com tubo alhetado
Tabela 18 - Valores das dimensões de tubos alhetados 5/8 (L-fin) Tabela 19 - Propriedades dos gases de escape com 3 tubos
Tabela 20 - Valores do coeficiente de transmissão térmica por convecção forçada Tabela 21 - Área de transferência de calor com tubo alhetado
Tabela 22 - Comparação da área de transferência de calor Tabela 23 - Valores da espessura do reservatório de água Tabela 24 - Dimensões do reservatório interior
Tabela 25 - Dimensões do reservatório exterior Tabela 26 - Custos e proveitos
Figura 1 - Potência instalada em Portugal
Figura 2 - Distribuição da potência instalada pelos sectores industriais
Figura 3 - Exemplo de aplicação de um sistema de micro cogeração numa habitação Figura 4 - Esquema de funcionamento de um motor de combustão interna
VI Figura 6 - Fluxo de contracorrente
Figura 7 - Desenho do tubo alhetado de 3/4 Figura 8 - Desenho do permutador de calor Figura 9 - Diagrama de instalação
VII
Nomenclatura
Estes são os principais simbolos utilizados e o seu significado.
cp Calor especifico J/(kg.K)
cpm Calor especifico molar J/(mol.K)
d Diametro m
g Aceleração da gravidade m/s2
hi Coeficiente de transferencia de calor
interior
W/(m2K)
he Coeficiente de transferencia de calor
exterior
W/(m2K)
h Entalpia J/kg
n Número de moles moles
m Massa Kg Caudal kg/s P Pressão N/m2 t Tempo s r Raio m A Área m2 Am Área média m2 At Área transversal m2
Aml Área média logaritimica m2
Ai, Aint Área interior m2
Ae, Aext Área exterior m2
VIII
f Fator de incrustação m2K/W
Gr Número de Grashof
k Condutibilidade térmica W/(m.K)
L Comprimento m
N Número de tubos do permutador
Nu Número de Nusselt
Pr Número de Prandtl
PCI Poder calorifico inferior J/kg
Potência térmica W Q Caudal m3/s R Resistência térmica K/W Ra Número de rayleight Re Número de Reynolds T Temperatura K
U Coeficiente de transferência de calor W/(m2K)
v Volume m3
β Coeficiente de expansão térmica K-1
α Difisividade térmica m2/s
ΔH0 Entalpia de combustão J/kg
ΔT l Diferença média logaritimica de
temperaturas
ºC
η Rendimento
μ Viscosidade Ns/m2
IX
Índice
Resumo ... II Abstract ... III Agradecimentos ... IV Índice de tabelas e figuras ... V Nomenclatura ... VII
1. Introdução ... 1
1.1. Finalidade e Objetivos do Estudo ... 2
1.2. Micro Cogeração integrado no setor doméstico ... 2
1.3. Enquadramento Legal ... 3
1.3.1. Decreto de Lei nº 34/2011 de 8 de Março ... 6
1.3.2. Decreto-Lei nº 118-A/2010 ... 9
1.4. Organização da Tese ... 11
2. Cogeração e Micro Cogeração ... 12
2.1. Cogeração ... 12
2.2. Micro Cogeração ... 13
2.3. Cogeração em Portugal ... 13
2.4. Potenciais Utilizadores ... 16
2.5. Micro Cogeração e Tecnologias de Conversão ... 17
2.5.1. Motores de Combustão Interna ... 17
2.5.2. Motores Stirling ... 19
3. Procedimento de Dimensionamento ... 21
3.1. Recuperação da Entalpia dos Gases de Combustão ... 21
3.2. Definição de Permutadores de Calor ... 22
3.3. Combustão ... 23
3.3.1. Combustão de Hidrocarbonetos ... 24
3.3.2. Dissociação ... 24
3.3.3. Equilíbrio Químico para Gases Perfeitos ... 25
3.3.4. Poder Calorífico ... 27
3.4. Áreas de Transferência de Calor ... 28
3.4.1. Coeficientes de Transferência de Calor... 28
3.4.2. Convecção forçada no interior dos tubos ... 28
3.4.3. Convecção Natural no Exterior dos Tubos ... 29
4.Dimensionamento do Permutador ... 31
X
4.2. Coeficiente de Transmissão Térmica por Convecção Natural (água) ... 31
4.3. Propriedades dos Gases de Combustão ... 32
4.4. Dimensionamento do Permutador de Calor ... 34
4.4.1. Permutador de Tubos de 1/4 polegada ... 35
4.4.2. Permutador de 9 tubos de 1/4 polegada... 36
4.5. Permutador de Tubos Alhetados ... 37
4.5.1. Permutador de Tubos Alhetados de ¾ de Polegada ... 38
4.5.2. Permutador de Tubos Alhetados de 5/8 de Polegada ... 40
4.6. Dimensionamento do Reservatório de Aquecimento ... 43
5. Análise Económica e Ambiental ... 46
5.1. Análise Económica ... 46
5.2. Análise Ambiental ... 47
6. Conclusões e Trabalho Futuro... 49
6.1. Conclusões ... 49
6.2. Sugestões de Trabalho Futuro ... 50
Bibliografia ... 51
ANEXOS... 52
ANEXO A- Características Técnicas do Gerador ... 53
ANEXO B- Tarifas Eletricidade e Gás Natural ... 54
ANEXO C - Diagrama de Instalação ... 56
ANEXO D - Análise Económica ... 57
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1. Introdução
No sentido de enfrentar os desafios energéticos, a União Europeia tem vindo a adotar diversas políticas com o intuito de reduzir a emissão de GEE (gases de efeito de estufa), de fomentar a utilização de fontes de energia renovável (Livro Verde, Diretiva de Eletricidade a partir de fontes de energia renovável), e de aumentar a eficiência energética (diretiva de promoção à cogeração). Com estas medidas pretende-se atingir os objetivos do Protocolo de Quioto de redução em 8% na emissão de gases com efeito de estufa em relação a 1990 para o período 2008-2012.
Devido à sua natureza descentralizada e elevadas eficiências globais, a cogeração e a micro-cogeração contribuem para uma menor pressão sobre o ambiente (Pehnt, 2007).
Um sistema de micro cogeração implementado numa habitação deverá ser capaz de satisfazer todas as necessidades energéticas (energia elétrica e térmica), ou satisfazer pelo menos uma delas na totalidade.
Nos sistemas de cogeração, a eficiência de conversão de energia aumenta para valores próximos dos 80%, enquanto em sistemas convencionais de produção de eletricidade a partir de combustíveis fósseis é, em média, entre 30 e 35%.
As aplicações em edifícios de sistemas de cogeração incluem: hospitais, hotéis, edifícios de escritórios e institucionais e edifícios residenciais mono e multi familiares.
De notar que em Portugal, os edifícios residenciais e de serviços, são responsáveis por mais de 60% de toda a eletricidade disponibilizada ao consumo, o que revela que, se a eletricidade é um problema para as emissões de CO2, os edifícios têm de ser parte da
sua solução. Em Portugal, a micro-cogeração começa a ser vista como uma solução vantajosa e de interesse, quer a nível pessoal, quer a nível nacional.
Em Portugal, a cogeração teve uma contribuição para a produção elétrica nacional de 12,2 % em 2003. Os edifícios têm um mercado potencial de aproximadamente 500 MWe (diretiva 2004/8/EC), para sistemas de cogeração com dimensões inferiores a 150kWe (DL 68/2002). Caso esta potência fosse instalada, permitiria reduzir as emissões de dióxido de carbono em 290.000 toneladas em cada ano. De acordo com o Centro de Investigação para a Energia, Transporte e Economia Ambiental, o mercado da micro-cogeração em Portugal tem um potencial de 6.000 unidades distribuídas por estes diferentes sectores.
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1.1. Finalidade e Objetivos do Estudo
Pretende-se com a realização deste trabalho desenvolver um sistema integrado de gestão térmica para valorização energética do calor libertado por um motor de combustão interna e com produção simultânea de energia elétrica. O sistema será dimensionado para o uso doméstico, com a possibilidade de produção de águas quentes sanitárias (AQS). Assim, são estabelecidos os seguintes objetivos:
• Compreensão da legislação aplicável à micro-cogeração;
• Dimensionamento e desenho do sistema de recuperação da entalpia dos gases de combustão;
• Quantificação ao nível financeiro e ambiental do sistema proposto.
1.2. Micro Cogeração Integrada no Setor Doméstico
De modo a obter-se uma solução capaz de ser integrada no sector doméstico as necessidades energéticas devem ser reais e devem ter em conta as variações das necessidades ao longo do dia e ao longo do ano.
Após a identificação das necessidades energéticas e do respetivo enquadramento legal, será selecionado um motor de combustão interna, que tenha uma produção nominal de energia elétrica, suficiente para cumprir os Decretos de Lei pelos quais se regem as tarifas de venda de energia elétrica.
Assim, será fundamental avaliar as condições de funcionamento do motor:
• Débito mássico de combustível; • Potência produzida;
Uma vez que o sistema irá aproveitar a entalpia dos gases de combustão, torna-se necessário realizar um estudo das condições em que a combustão se processa.
Será necessário estudar, sob o ponto de vista químico e termodinâmico, a composição da mistura (estudo da razão ar/combustível) e consequentemente dos gases de escape.
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Com este estudo vão obter-se entre outras grandezas:
• Temperatura, • Caudal,
• Calor específico,
• Coeficientes de transferência de calor entre outras propriedades, fundamentais para o dimensionamento do dispositivo de aproveitamento de calor (recuperador de calor).
O motor, quando em funcionamento, liberta calor que não sendo dissipado pode ser prejudicial ao rendimento, bem como, à própria condição estrutural. Assim, será verificada a necessidade de implementação de um sistema de arrefecimento do motor, de modo a que a temperatura ideal de funcionamento deste, entre 80º C a 90º C, não seja ultrapassada.
O dimensionamento do reservatório para armazenamento de água, deverá incluir isolamentos capazes de armazenar o calor produzido pela unidade.
Pela avaliação dos resultados numéricos, será desenhado o sistema de aproveitamento térmico, que posteriormente será construído e acoplado ao grupo motor-gerador.
O modelo de micro-cogeração proposto, será então avaliado sob diferentes aspetos, a análise económica, onde será determinado os custos de instalação e de manutenção, designados custos fixos.
Na Análise ambiental, serão comparadas as emissões produzidas pelo modelo de micro-cogeração e as emissões que seriam produzidas se as energias úteis fossem produzidas pelos métodos tradicionais, no caso concreto uma caldeira mural com um rendimento de 85%.
1.3. Enquadramento Legal
O conceito de auto produção de energia elétrica foi abordado pelo Decreto de Lei nº 20/81 de 28 de Janeiro. Com a publicação deste decreto passou a ser possível a venda a rede de excedentes de produção própria, restringindo a qualidade de auto produtor aos proprietários de determinadas instalações nomeadamente as que produziam energia
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elétrica a partir de resíduos ou subprodutos de recursos naturais renováveis, de efluentes ou através de técnicas de cogeração.
No entanto, só em 1988 e dado um forte impulso à produção independente através do Decreto de Lei nº 189/88 de 27 de Maio, que criou o regime especial de produção de energia elétrica, dentro de determinados limites de potência instalada, através da utilização de recursos renováveis ou de sistemas de produção combinada de calor e eletricidade.
Após a publicação deste diploma, teve lugar um acentuado desenvolvimento na utilização de cogeração, o qual deu origem a um conjunto de situações diversas e de características peculiares no sector da produção energética, não previsíveis neste diploma. Assim, tornou-se necessário separar legislativamente as formas de produção de energia elétrica.
Com a aprovação, em Julho de 1995, dum conjunto de diplomas que deram um novo enquadramento jurídico à rede nacional de energia (REN), a produção combinada de calor e eletricidade passou a reger-se por regime autónomo pelo Decreto de Lei nº 186/95 de 27 de Julho. O Decreto de Lei nº 538/99 de 13 de Dezembro fez a revisão do decreto anterior aplicável a produção de energia elétrica a partir de instalações de cogeração.
Foi através do programa, Eficiência Energética e Energias Endógenas, aprovado pela resolução do concelho de ministros, que foram assumidos um vasto conjunto de objetivos de politica energética, visando a diversificação do acesso as formas de energia disponíveis no mercado, aumentar o potencial do aproveitamento de energias endógenas através da sua valorização, aumentar a eficiência energética e modernizar tecnologicamente o sistema energético nacional.
Neste sentido, adaptou-se a legislação para o acolhimento de novas soluções de produção de energia descentralizada e de inovação tecnológica para que possa surgir a figura de produtor consumidor de energia elétrica em baixa tensão integrado na REN.
No Decreto de Lei nº 312/2001 de 10 de Dezembro foram estabelecidos os instrumentos legais e os mecanismos aplicáveis a gestão da capacidade de receção das redes da REN, proporcionando uma capacidade de receção que responde adequadamente ao potencial da micro cogeração nos sectores residencial e de serviços aos pedidos de entrega da energia elétrica proveniente dos electro produtores da REN.
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Contudo, foi apenas com a publicação do Decreto de Lei nº 68/2002 de 25 de Marco que veio regular a atividade de produção de energia elétrica em baixa tensão que se definiu o estatuto de produtor consumidor integrado na REN, acolhendo novas soluções de produção de energia descentralizada e de inovação tecnológica. Como complemento, a portaria 764/2002 veio estabelecer as tarifas aplicáveis às instalações de produção de energia elétrica em baixa tensão, licenciadas ao abrigo do Decreto de Lei nº 68/2002, bem como estabelecer as disposições relativas ao período de vigência.
No entanto, o potencial de cogeração como medida de poupança de energia estava subvalorizado na União Europeia (UE) e é neste contexto que surge a Diretiva 2004/8/CE do Parlamento Europeu de 11 de Fevereiro de 2004, cujo objetivo é a promoção e o desenvolvimento da cogeração de elevada eficiência. Esta diretiva define micro cogeração como a cogeração efetuada através de unidades cuja capacidade máxima seja inferior a 50 kWe.
Contudo, ao fim de mais de cinco anos desde a entrada em vigor do Decreto de Lei nº 68/2002, verificou-se que o número de sistemas de micro produção de eletricidade instalados não atingiu uma expressão significativa. Segundo Castro Guerra (2007), tal facto pode ser devido a duas razões, por um lado o Decreto de Lei nº 312/2001 aplica-se a todos os centros electroprodutores, seja qual for a sua potência nominal ou localização geográfica, conduzindo assim, a uma excessiva centralização administrativa dos processos de licenciamento de pequena ou micro dimensão, por outro lado, as obrigações de auto consumo reduziam os fundamentos económicos das decisões de investimento dos micro produtores.
No ano de 2005, surge a estratégia nacional para a energia no que respeita às linhas de orientação política sobre renováveis e eficiência energética, definida pela resolução de conselho de ministros 169/2005 de 24 de Outubro. Foi no âmbito desta estratégia que a 2 de Novembro de 2007 e publicado o Decreto de Lei nº 363/2007, que veio estabelecer o regime jurídico aplicável ao exercício da atividade de micro produção de eletricidade num quadro legal específico de licenciamento simplificado no sentido de fomentar e difundir a micro produção, algo que até ao momento não tinha sido conseguido.
Para complementar o Decreto de Lei nº 363/2007 e como medida integrante no Plano Nacional de Ação para a Eficiência Energética (PNAEE) 2008-2015, também denominado por Portugal Eficiência 2015 foi criado o programa renováveis na hora que
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tem por objetivo promover e incentivar a micro produção dinamizando assim a produção através do potencial da micro cogeração nos sectores residencial e de serviços descentralizada de energia elétrica e térmica, com recurso a fontes de energia renovável. O PNAEE 2008-2015 foi aprovado pela resolução de conselho de ministros nº 80/2008, documento que engloba um conjunto alargado de programas e medidas consideradas fundamentais para que Portugal possa alcançar e suplantar os objetivos fixados no âmbito da Diretiva 2006/32/CE do parlamento europeu e do conselho de 5 de Abril, relativa a eficiência na utilização final de energia e aos serviços energéticos.
De modo a alcançar os seus objetivos o plano abrange quatro setores específicos: transportes, residencial e serviços, indústria e estado. A área residencial integra três grandes programas de eficiência energética; o programa renove casa e escritório, o sistema de eficiência energética nos edifícios e o programa renovável na hora referido anteriormente.
Apesar do Decreto de Lei nº 363/2007 estar mais direcionado para a micro produção de energia elétrica a partir de energias renováveis, a micro cogeração a partir de energias convencionais também é abrangida por este documento uma vez que é igualmente considerada como micro produção (Potencial da micro cogeração nos sectores residencial e de serviços Filipa Gomes, Universidade de Aveiro, Dezembro 2009).
Atualmente novos Decretos de Lei foram introduzidos, sendo que o Decreto de Lei nº 68/2002 foi revogado pelo Decreto de Lei nº 34/2011, e agora permite um máximo de 250 kW.
O Decreto de Lei nº 363/2007 de 2 de Março foi revogado pelo Decreto de Lei nº118 A/2010 muda apenas as tarifas a atribuir à venda de energia.
1.3.1. Decreto de Lei nº 34/2011 de 8 de Março
Assim, no desenvolvimento da Estratégia Nacional para a Energia (ENE 2020), que foi aprovada pela Resolução do Conselho de Ministros nº 29/2010 de 15 de Abril, a Resolução do Conselho de Ministros nº 54/2010 de 4 de Agosto, veio determinar a elaboração do regime jurídico do acesso à atividade de mini produção e estabeleceu as linhas gerais de orientação para o novo regime.
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Em concretização da resolução acima referida, o presente Decreto de Lei estabelece o regime jurídico aplicável à produção de eletricidade por intermédio de instalações de pequena potência, designadas por unidades de mini produção.
Entende-se por mini produção a atividade de pequena escala de produção descentralizada de eletricidade, recorrendo, para tal, a recursos renováveis e entregando, contra remuneração, eletricidade à rede pública, na condição que exista consumo efetivo de eletricidade no local da instalação.
Apenas a atividade de muito pequena produção a micro produção prevista no Decreto de Lei nº 363/2007 de 2 de Novembro (alterado e republicado pelo Decreto de Lei nº 118 - A/2010 de 25 de Outubro), e o regime da pequena produção para auto consumo, previsto no Decreto de Lei nº 68/2002 de 25 de Março, possuem regimes próprios.
Porém, o regime da produção com auto consumo não teve a aceitação esperada, sendo muito poucas as unidades por ele atualmente regidas, pelo que cumpre, agora, revogar o Decreto de Lei nº 68/2002 de 25 de Março, que regula essa matéria, salvaguardando, no entanto a continuação da sua aplicação às instalações presentemente por ele regidas. Em sua substituição, torna-se necessário definir um regime para a produção descentralizada de eletricidade para que a mini produção complemente o regime da micro produção, acolhendo assim uma experiência bem sucedida.
O regime da mini produção, para além de permitir ao produtor consumir a eletricidade produzida pela sua instalação, permite-lhe vender a totalidade dessa eletricidade à rede elétrica de serviço público (RESP) com tarifa bonificada, num dos regimes previstos no presente Decreto de Lei.
De entre os aspetos mais importantes do novo regime jurídico para a mini produção, realça-se, em primeiro lugar, a definição de unidade de mini produção de eletricidade, entendida como a instalação baseada numa só tecnologia de produção (por exemplo, painéis fotovoltaicos), e cuja potência máxima atribuível para ligação à rede é de 250 kW.
Trata-se de uma instalação que produz eletricidade a partir de recursos renováveis, com base numa só tecnologia, e que tem a garantia de entregar, de forma remunerada, a eletricidade produzida à RESP.
Em segundo lugar, no que respeita às condições para o acesso ao exercício da atividade de mini produção, o presente Decreto de Lei prevê a atividade a quem detenha
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um contrato de fornecimento de eletricidade com consumos relevantes na sua instalação de consumo e instale a unidade de mini produção no mesmo local servido por esta. Isto é, exige-se que, para que se possa beneficiar do regime da mini produção, a instalação em causa detenha já um contrato com um comercializador e consumo relevante de eletricidade.
Estabelece-se, ainda, que a mini produção não pode exceder 50 % da potência contratada para consumo com o comercializador. A unidade de mini produção não pode produzir e injetar na RESP mais de metade da potência contratada para a instalação de consumo.
Em terceiro lugar, define-se o regime remuneratório da eletricidade produzida em instalações de mini produção, tendo o produtor acesso a dois regimes remuneratórios, à sua escolha:
• O regime geral, aplicável a todos os que tenham acedido à atividade de mini produção e não se enquadrem no regime bonificado,
• O regime bonificado.
No regime geral, a eletricidade produzida é remunerada segundo as condições de mercado, nos termos vigentes para a produção em regime ordinário. A tarifa de remuneração pela injeção de eletricidade na RESP é determinada segundo as condições de mercado, não existindo, por isso, qualquer tarifa de referência administrativamente fixada.
O acesso ao regime bonificado depende do preenchimento de determinados requisitos. Quando as potências são superiores a 20 kW, a seleção dos registos e fixação da tarifa bonificada aplicável depende de mecanismos concorrenciais.
Tendo por base uma tarifa de referência de 250 € MW/h, são selecionadas as entidades que oferecerem o melhor desconto à tarifa, sendo que os diversos pedidos de registo recebidos são ordenados em função desse desconto. Nos casos em que a potência de ligação seja inferior a 20 kW, os pedidos são ordenados por ordem de chegada.
A quota de potência a alocar anualmente no âmbito do regime bonificado é de 50 MW, devendo a sua atribuição ser escalonada ao longo do ano, de acordo com a programação a estabelecer pela direção geral de energia e geologia (DGEG); (Diário da Republica).
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1.3.2. Decreto-Lei nº 118-A/2010
Este Decreto de Lei, está dividido em dois regimes, o geral e o bonificado. O regime geral, é aplicável a qualquer produtor consumidor de baixa tensão que instale unidades de micro produção de eletricidade monofásica com potência de ligação até 5,75 kW.
Os aspetos regulamentares associados a micro produção estão definidos no Decreto de Lei nº 118-A/2010 que veio simplificar o regime de licenciamento existente, substituindo-o por um regime de registo simples, sujeito a inspeção de conformidade técnica.
Neste documento legislativo, o produtor tem direito a instalar um equipamento de micro geração com uma potência máxima de 50% da sua potência contratada, exceto para instalações elétricas de utilização em nome de condomínios, e vender toda a energia produzida a Rede Elétrica desde que se encontre registado no sistema de registo da micro produção. Este Sistema consiste numa plataforma eletrónica de interação entre os produtores e a administração destinado ao registo das unidades de micro produção, com informação do respetivo titular e instalador, sendo a DGEG o órgão responsável pela sua criação, manutenção e gestão.
No âmbito deste decreto, apenas é remunerada a energia ativa entregue a RESP de acordo com dois regimes remuneratórios:
• Regime Geral, aplicável a qualquer produtor-consumidor de baixa tensão que instale unidades de micro produção de eletricidade monofásica com potência de ligação ate 5,75 kW;
• Regime Bonificado, aplicável a produtores com unidades de micro produção com potência de ligação ate 3,68 kW que utilizem fontes de energia renováveis como solar, eólica, hídrica, cogeração a biomassa ou pilhas de combustível com base em hidrogénio proveniente de micro produção renovável.
Um produtor que forneça eletricidade à rede a partir destas tecnologias, está abrangido pelo regime geral de remuneração. De acordo com este regime, a tarifa de venda de eletricidade é igual ao custo da energia do tarifário aplicável pelo comercializador de último recurso do fornecimento a instalação de consumo.
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Relativamente ao regime bonificado este é aplicável aos produtores com unidades de micro geração que utilizem as fontes de energia renovável descritas anteriormente, estando no entanto sujeitos as seguintes condições:
• No caso de unidades de cogeração a biomassa, desde que esta esteja integrada no aquecimento do edifício;
• No caso de unidades de micro produção que utilizem outras fontes de energia diferentes das previstas no ponto anterior, desde que estas disponham de coletores solares térmicos para aquecimento de água na instalação de consumo, com um mínimo de 2 m2 de área de coletor;
• No caso dos condomínios, desde que estes realizem uma auditoria energética ao edifício e que tenham implementado as medidas de eficiência energética identificadas na auditoria com um período de retorno até dois anos.
No regime bonificado cada produtor terá uma tarifa única garantida nos primeiros cinco anos após instalação, sendo a tarifa sucessivamente reduzida nos dez anos seguintes ao fim do qual será aplicada a tarifa do regime geral de remuneração.
A tarifa de referência é fixada em 400 €/MWh para o primeiro período e em 240 €/MWh para o segundo período, sendo o valor de ambas as tarifas sucessivamente reduzido anualmente em 20 €/MWh e depende do tipo de energia renovável utilizada, mediante a aplicação das seguintes percentagens:
• Solar: 100% • Eólica: 70% • Hídrica: 30%
• Cogeração a Biomassa: 30%
• Pilhas de combustível com base em hidrogénio proveniente de micro produção renovável: percentagem consoante o tipo de energia renovável utilizada para a produção de hidrogénio
• Combinação das fontes de energia: média ponderada das percentagens individuais aplicáveis utilizando como fator de ponderação os limites máximos de energia entregue a rede.
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1.4. Organização da Tese
Depois de uma introdução, em que são mostrados os principais conceitos e objetivos em estudo, a legislação aplicável aos sistemas de micro cogeração, tentando compreender os aspetos legais da legislação e como se pode integrar no objetivo em estudo; sendo bastante importante para a análise económica onde beneficio e custo dependem de dois dos decretos de lei em análise, o Decreto de Lei 34/2011 e o Decreto de Lei 118 – A/2010.
Segue-se o segundo Capítulo, onde é discutido a cogeração e a micro cogeração em Portugal e principais aplicações; um aprofundamento das tecnologias existentes no domínio dos sistemas de micro cogeração, e suas virtudes e defeitos.
No terceiro Capítulo, é explicado a recuperação da entalpia dos gases de combustão, para posterior utilização no aquecimento da água e também se apresenta de forma pormenorizada todas as equações e teoria, quer químicas quer termodinâmicas, necessárias para o cálculo do equipamento em estudo.
No quarto Capítulo são apresentados e analisados os cálculos do dimensionamento do permutador de calor juntamente com o dimensionamento do reservatório de aquecimento. Estão também presentes os desenhos dos tubos escolhidos, o permutador e o diagrama de instalação.
No quinto Capítulo é apresentado a análise económica, onde são descritos os custos de aquisição e custos fixos com o equipamento e materiais escolhidos assim como a poupança de gastos com combustível com o uso de uma caldeira para o aquecimento da água.
Ainda neste Capítulo analisam-se as emissões produzidas pelo sistema de micro cogeração e compara-se com as emissões de um sistema convencional de aquecimento, uma caldeira, para que se tenha uma ideia sobre as emissões produzidas pelos dois equipamentos.
No sexto Capítulo são referidas as conclusões em estudo, é feita uma apreciação global ao trabalho realizado e apresentadas sugestões sobre o trabalho futuro.
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2. Cogeração e Micro Cogeração
No mundo moderno, a preocupação com o meio ambiente e a eficiência energética é cada vez maior, por isso a micro cogeração apresenta-se como uma parte da solução para o futuro.
As fontes descentralizadas produtoras de energia, podem ser usadas de modo isolado e têm uma grande vantagem para a o consumidor, porque permite fornecer a energia total ao consumidor, e o excedente pode ser fornecido à rede nacional de energia.
As tecnologias existentes em micro cogeração têm vantagens ambientais, mas ainda não estão disponíveis à maior parte da população, pois ainda estão numa fase de desenvolvimento em que o seu custo de aquisição é bastante elevado.
Neste Capítulo é discutido a definição de cogeração e micro cogeração, tecnologias existentes, prós e contras dos sistemas de micro cogeração.
2.1. Cogeração
Como a transformação de energia térmica em trabalho, é regida pela segunda lei da termodinâmica, muita da energia contida no combustível é desperdiçada, nomeadamente em calor. Para limitar essa perda, a cogeração começou a ser implementada e com resultados satisfatórios.
A cogeração, consiste no aproveitamento do calor libertado nos processos termodinâmicos, sob a forma de vapor ou água quente, para uma aplicação secundaria, que pode não estar dependente da aplicação primária.
Pode então definir-se o conceito de cogeração de energia, como sendo a produção termodinâmica sequencial de duas ou mais formas de energia a partir da mesma fonte de energia primária (EDUCOGEN, 2001).
No séc. XIX, apareceram os primeiros equipamentos comercias de cogeração, e como o fornecimento de energia elétrica da rede ainda era muito baixo, era comum várias centrais de cogeração de energia, mas com o progresso, este sistema tornou-se dispendioso e é abandonado.
Quando, já no séc. XX, com a crise petrolífera, este sistema voltou de novo a ser usado, mas agora com um desenvolvimento bastante superior, o que baixou os custos, as instalações foram otimizadas, o que levou a um maior desempenho dos equipamentos de cogeração alcançando assim melhores desempenhos.
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2.2. Micro Cogeração
Como o próprio nome indica, micro cogeração, é o processo de cogeração em pequena escala, tendo uma potência de trabalho inferior a 50 kW; quando a potência é inferior a 1 MW, chama-se cogeração de pequena dimensão; este enquadramento legal está explicado no primeiro Capítulo.
Neste conceito, o motor principal aciona um gerador que produz energia elétrica, sendo o calor libertado recuperado e aciona um chiller de absorção. Para a produção de água ou ar quente é usado permutadores de calor.
A importância atribuída à produção descentralizada varia de país para país. A UE é um mercado com elevado potencial em que o consumidor europeu já tem uma maior sensibilização para a realidade energética. São vários os Estados Membros que têm apostado na produção descentralizada como forma de reduzir as perdas nas redes de distribuição, de diminuir a dependência externa e de dar ao consumidor um papel mais ativo.
A Alemanha e a Espanha são os líderes nesta área, mas a Itália e a Grécia também começam a ganhar terreno neste novo paradigma energético (Água e Ambiente, 2009).
2.3. Cogeração em Portugal
A produção de energia para consumo local, com utilização de máquinas de vapor e turbinas hidráulicas, tem uma longa tradição.
Em Portugal, as máquinas de vapor tiveram as primeiras aplicações em meados do século XIX e as turbinas hidráulicas pelos fins do século, como motores centrais em utilizações simplesmente mecânicas ou acionando geradores elétricos que asseguravam
a iluminação, em corrente contínua, no local ou proximidades.
Houve uma pulverização de pequenos produtores com centrais termoelétricas e hidroelétricas, não só industriais mas também de serviço público.
Em meados do século XX, com o desenvolvimento dos grandes projetos hidroelétricos e o transporte de eletricidade e a eletrificação do País, assistiu-se à substituição da energia mecânica pela elétrica, com a instalação de motores trifásicos acionando diretamente as máquinas.
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As instalações de produção de energia para consumo local, e principalmente as de serviço público, entraram numa fase decrescente restando, ainda hoje, algumas unidades em operação, como podemos observar na Figura 1.
Figura 1 – Potência instalada em Portugal (fonte: COGEN)
Os sistemas de produção combinada de calor e de eletricidade, cogeração propriamente dita, baseados em caldeiras e máquinas de vapor, começaram a ser instalados, a partir dos anos 30 do século passado, em unidades industriais (açúcar, refinação de petróleo, papel, têxtil).
As máquinas de vapor viriam a ser substituídas, mais tarde, por turbinas que acionavam alternadores e que, em alguns casos, operavam em paralelo com as redes públicas.
Só em 1982, com o objetivo de incentivar a auto produção de energia elétrica foi regulada a qualidade de produtor independente, com a possibilidade de estabelecer o paralelo com a Rede Elétrica Nacional e definidas condições para valorização de excedentes de energia elétrica entregues a esta. As principais unidades fabris dos diferentes sectores industriais, com consumos significativos de vapor/calor e em que os projetos demonstravam viabilidade técnica e económica, foram-se equipando, até 1990, com sistemas de cogeração, desde a celulose e química, passando pelo têxtil, papel, açúcar, cerveja até aos derivados de madeira.
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Os incentivos financeiros para a utilização racional de energia foram instrumentos essenciais para a promoção da tecnologia e implementação destes últimos projetos, na generalidade de pequena/média potência. Estes desenvolvimentos permitiram que Portugal atingisse uma potência instalada, de 530 MW, distribuídos pelos sectores industriais identificados na Figura 2:
Figura 2 – Distribuição da potência instalada pelos sectores industriais (fonte: COGEN)
Algumas destas centrais estão, agora, a passar por operações de atualização tecnológica e melhoria de eficiência, aumentando a potência das unidades, mediante a instalação de sistemas baseados em ciclos combinados com turbinas de gás.
O quadro regulamentar, revisto em 1989, criou um regime especial para a produção de energia elétrica com recursos renováveis e por cogeração que visava agilizar e dar transparência aos processos de forma a motivar os agentes económicos. Revisões posteriores da legislação, em 1996, 1999 e 2000 e 2001 vieram impor critérios de eficiência aos projetos de cogeração o que valorizou e consagrou esta forma alternativa de produção de energia. A atividade da Cogeração, em Portugal, passou a ter um enquadramento legal adequado, com uma estrutura transparente de remuneração e que reconhece inequivocamente os benefícios energéticos e ambientais a toda a produção em cogeração.
2.4. Potenciais Utilizadores
A tecnologia da cogeração pode ser aplicar a qualquer edifício, desde que necessite de mais que um tipo de energia. Com o uso da micro cogeração em edifícios, podemos aplicar os permutadores de calor como produtor de água e ar quente, ou em conjunto
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com um chiller produzir ar fresco. A energia elétrica produzida, pode ser vendida à rede através de rede nacional.
O sector dos serviços é também um potencial utilizador deste tipo de tecnologia, podendo ser edifícios de hotelaria, hospitais, piscinas, ginásios, edifícios de comércio e edifícios públicos.,
Até recentemente, a aplicação da micro cogeração no sector doméstico era feita sobretudo em condomínios residenciais (com 75 a 100 apartamentos), devido às gamas de potências dos primeiros sistemas de micro cogeração serem demasiado altas para serem usadas apenas numa habitação. Atualmente começa já a existir um conjunto variado de equipamentos de micro cogeração com uma potência mais reduzida, e de dimensões cada vez mais reduzidas, permitindo a sua utilização em unidades residenciais. Na Figura 3 está representado um sistema de micro cogeração numa habitação, onde o sistema de micro combined heat and power (MCHP) é o conjunto gerador – permutador.
Figura 3 – Exemplo de aplicação de um sistema de micro cogeração numa habitação (fonte: Pehnt et al., 2006)
De acordo com as estimativas da COGEN (2004), as unidades de micro cogeração, com potências inferiores a 150 kW, apresentam um potencial técnico de mercado de cerca de 500 MW.
2.5. Micro Cogeração e Tecnologias de Conversão
Os sistemas de micro cogeração têm uma vantagem importante, são fáceis de instalar, muito flexíveis e ocupam geralmente espaços reduzidos.
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Diversas tecnologias de conversão foram desenvolvidas para a aplicação nos sistemas de micro cogeração, tais como:
Motor de combustão interna (Diesel, Otto) Motores de combustão externa (motor Stirling)
Estas tecnologias poderiam substituir as caldeiras de aquecimento de águas em habitações e fornecer eletricidade, calor, e frio (desde que seja acrescentado um ciclo de absorção).
2.5.1. Motores de Combustão Interna
Para o ciclo Otto, o combustível é misturado com o ar e é comprimido no cilindro e a energia de ativação é fornecida através de uma faísca proveniente dos eléctrodos de uma vela. Os gases quentes expandam-se, empurram o êmbolo e fazem mover a cambota.
Através de um gerador, a energia mecânica é transformada em energia elétrica. O calor proveniente do sistema de escape e de arrefecimento é recuperado e usado no sistema de aquecimento, não se desperdiçando assim energia.
No caso dos motores a funcionar com o ciclo Diesel, a energia de ativação não é uma faísca, mas sim uma vela de aquecimento, colocada no topo do cilindro, que expande a mistura ar combustível, empurrando assim o êmbolo. Existe um consumo menor para uma potência idêntica ao do ciclo Otto.
Na Figura 4 está demonstrado o esquema de funcionamento de um motor de combustão interna (MCI), neste caso os 4 tempos de combustão.
Figura 4 - Esquema de funcionamento de um motor de combustão interna (fonte : blog do Professores Emanoeli e Diego Marcon)
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Para uma melhor compreensão do que se passa no interior de num MCI, a primeira etapa é a admissão, em que o cilindro é enchido com uma mistura ar e combustível, à medida que o êmbolo se desloca para baixo.
Na segunda etapa temos a compressão, onde é comprimida a mistura e o êmbolo desloca-se para cima.
Na terceira etapa temos a expansão, em que após a ignição é produzido trabalho necessário para fornecer ao sistema e o êmbolo desloca-se para baixo.
Na quarta e última etapa temos o escape, onde se libertam os gases que foram produzidos durante a terceira etapa, e o êmbolo desloca-se para cima.
Existe grande versatilidade de combustíveis, desde o gás natural a biocombustíveis. Este tipo de motores apresenta como inconvenientes os intervalos de manutenção, frequentes e rigorosos, o nível de emissões de gases, como o dióxido de carbono e o dióxido de enxofre, dependendo do combustível utilizado, o monóxido de carbono, hidrocarbonetos inqueimados e o óxido de azoto, dependendo das condições de combustão, como a temperatura e quantidade de ar.
A eficiência elétrica depende da capacidade elétrica do sistema, sendo que para potências inferiores a 15 kW, obtém-se um rendimento de 20%, aproximadamente, e a sua eficiência térmica depende do sistema e do nível de integração do calor (Pehnt et al., 2006).
A eficiência total, ou seja a soma da eficiência elétrica e térmica, varia entre os 80 e 90%.
Segundo vários analistas, com a conversão do calor de escape em potência útil, não leva só à diminuição de combustível, mas também a um potencial aumento da potência do motor, o que leva a um conjunto de fatores favoráveis, como a diminuição do consumo de combustíveis fosseis e uma diminuição da emissão dos gases de escape para a atmosfera.
No caso em estudo neste trabalho, usa-se em pequeno gerador, com motor de combustão interna, que funciona a gás natural, que devido às suas características, compacto e baixo nível de emissões de poluentes tornando-se numa proposta interessante para uma residência.
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2.5.2. Motores Stirling
Ao contrário dos motores de combustão interna, nos motores Stirling a combustão dá-se no exterior do cilindro, em que o êmbolo move-se devido à compressão e expansão de um gás, hélio ou hidrogénio, que se encontra no seu interior. Através de duas câmaras, uma de aquecimento e uma de arrefecimento é feito o seu percurso e a energia mecânica resultante deste movimento é convertida em eletricidade.
Como o fluido de trabalho se encontra num sistema fechado, este mantém-se durante o ciclo de vida do motor, reduzindo os custos de manutenção.
Figura 6 - Esquema de funcionamento de um motor Stirling (fonte: wikipedia.org)
Este tipo de motores pode ter várias configurações, dependendo do número de êmbolos e de cilindros e o facto de a combustão ser feita no exterior, existe uma maior variedade de combustíveis, como, combustíveis líquidos, gasosos e sólidos, produtos da liquefação ou gaseificação do carvão, biomassa, biocombustivel, sendo ainda possível a sua substituição sem ter a necessidade de parar o motor.
Ainda falando das suas vantagens, o motor Stirling, produz menos emissões, especialmente ao nível do NOx, pois a combustão é contínua, permitindo uma queima
completa e eficiente do combustível.
A sua maior desvantagem é a dificuldade de iniciar e variar a sua rotação rapidamente, e o seu sistema de vedação apresenta lacunas, podendo perder fluido de trabalho.
O seu preço também é elevado, em comparação com os motores de combustão interna
3. Procedimento de Dimensionamento
Neste Capítulo, faz-se a descrição do procedimento do dimensionamento do sistema de recuperação da entalpia dos gases de combustão.
Como existem bastantes variáveis, interpolações termodinâmicas e expressões, a elaboração de uma folha de cálculo torna-se uma ferramenta útil para a realização dos inúmeros cálculos envolvidos neste estudo.
Os resultados são apresentados e discutidos, aplicando o procedimento anteriormente apresentado, resultando no dimensionamento do permutador, assim como o reservatório onde a água vai ser aquecida.
3.1. Recuperação da Entalpia dos Gases de Combustão
A utilização da energia térmica impõe o recurso a permutadores de calor, ele é um dispositivo usado para realizar a troca de calor entre dois fluidos a diferentes temperaturas. Pode ser utilizado em aquecimento ou arrefecimento de ambientes, conversão de energia ou recuperação de calor.
Cerca de 90% da energia primária das indústrias é obtida por via térmica. Assim, o permutador é um órgão de utilização muito generalizada. O seu uso vai desde as utilizações de aquecimento doméstico à indústria alimentar e indústria química.
O interesse na recuperação da energia térmica proveniente dos gases de combustão, tem crescido consideravelmente nas últimas décadas, aparecendo assim um número interessante de propostas para novas soluções de geração de energia, que utilizam fontes de calor de baixa temperatura, tais como caldeiras domésticas e os gases de combustão de motores de combustão interna (MCI).
O potencial para exploração de fontes de calor residual dos gases de combustão de processos industriais de MCI tem-se revelado promissoras (Wang et al.2011).
Nos últimos 30 anos estes motores foram trabalhados de modo a aumentarem a eficiência e como consequência reduzir as emissões de gases poluentes para a atmosfera,
Desde a sua invenção, os MCI tiveram grandes transformações mas o seu rendimento é de aproximadamente 30 %.
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Com o tratamento dos gases de escape, estes podem atingir temperaturas entre 500 e os 900 graus celsius numa utilização em automóveis ligeiros, isto torna-se bastante atrativo para a obtenção de energia.
3.2. Definição de Permutadores de Calor
Os gases de escape deixam a câmara de combustão com uma quantidade apreciável de calor, que representa uma energia demasiado importante para ser desperdiçada, esta transferência de calor é realizada por conveção.
Estes equipamentos caracterizam-se por um desenho compacto o que permite uma montagem simples e rápida. Na maioria dos casos, construtivamente um permutador é conjunto de tubo que é solidário com a própria estrutura, e que para evitar possíveis deformações nos tubos e na estrutura é usado diferentes curvaturas dos tubos.
No caso do estudo em causa, o permutador apresenta um fluxo contínuo do fluido quente e do fluido frio, sem se misturarem, separados por uma parede, neste caso o tubo, alhetado ou não.
A nomenclatura usada, para o cálculo da área média logarítmica, ver Capítulo 4 Tabela 5, que indica a diferença de temperatura entre as correntes quente e frias em cada extremidade do permutador. Quanto maior a diferença, mais calor é transferido.
Na Figura 6 está representado o permutador usado no estudo, que de acordo com a disposição das correntes é de corrente paralela e o seu tipo de construção é tubular.
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3.3. Combustão
A combustão que ocorre no motor de combustão interna é aqui descrita. Conhecendo a equação química que rege o processo indica os átomos dos reagentes que se associam para formarem os produtos de reação.
Tendo em conta que o número de moles de cada elemento se mantém constante antes e depois da reação de combustão, obtém-se o número de moles dos reagentes e dos produtos, a equação química exprime, desta forma, o princípio da conservação da massa.
3.3.1. Combustão de Hidrocarbonetos
Escrevendo a expressão geral para a combustão completa de um hidrocarboneto genérico CxHy com o ar, a combustão diz-se completa se todo o combustível é
queimado:
N
N
(3.1)
O ar teórico, é a quantidade mínima de ar quo o oxigénio fornece para queimar todo o combustível, sendo o nome dado à mistura de estequiométrica, e os produtos da combustão não têm oxigénio.
Mas na prática, a combustão só é completa quando existe uma quantidade de ar ou comburente, superior ao valor teórico, isto é devido ao fato da grande dificuldade em obter uma mistura homogénea em qualquer câmara de combustão.
Designada por AC (razão ar combustível), é a razão entre as massas de ar e combustível, e CA (razão combustível ar) é a razão entre as massas de combustível e ar.
Define-se riqueza de uma mistura, r, como:
r = esteq
ou r =
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Se a riqueza de uma mistura for igual a um, a mistura diz-se estequiométrica; se a riqueza de uma mistura for maior que um, a mistura diz-se rica; se a riqueza for menor que um, diz-se pobre.
Uma mistura rica funciona com um defeito de ar, d; e uma mistura pobre funciona com excesso de ar.
A expressão excesso de ar é caracterizada pela expressão:
e = -r
r e =
- esteq esteq
(3.3)
Depois de conhecido a razão ar/combustível, é possível obter o caudal de gases de combustão do hidrocarboneto, desde que se conheça o caudal de combustível consumido durante a queima.
ases s (3.4)
A queima deve ser completa, mas poderá ser incompleta, surgindo CO nos produtos de reação. Neste caso a reação é descrita da seguinte forma:
aCxHy + b(O2 + 3.76N2)
cCO2 + dCO +eO2 + fH2O + gN2
(3.5)
3.3.2. Dissociação
Para temperaturas superiores a 1500K, os produtos de combustão não são os ideais para se determinar a estequiometria, isto acontece devido à dissociação de alguns produtos de combustão.
A dissociação é uma reação que ocorre a temperaturas elevadas e consiste na transformação parcial de algumas substâncias químicas em outras mais simples; isto é facilmente observado no exemplo da combustão de um hidrocarboneto com excesso de ar, em que os produtos de reação seriam H2O, CO2, N2 e O2, mas devido às altas
temperaturas, vão ocorrer reações de dissociação, o que origina, H2, CO, N, NO, O, OH,
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As reações de dissociação, são transformações que ocorrem nos dois sentidos, sendo que as proporções, dos reagentes e dos produtos de reação, se ajustam intrinsecamente até que se dê o equilíbrio químico.
Na queima de combustíveis gasosos ocorrem frequentemente reações de dissociação a do dióxido de carbono e a da água.
A reação da dissociação do CO2 é representada sob a forma:
CO2 CO + O2 (3.6)
A reação da dissociação do H2O é representada sob a forma:
H2O H2 + O2 (3.7)
Durante a combustão de um hidrocarboneto genérico, ocorre o fenómeno da dissociação, que pode ser descrita da seguinte forma:
aCxHy + b(O2 + 3.76N2) cCO2 + dCO +eO2 + fH2O + gH2 (3.8)
Na queima onde ocorre o fenómeno da dissociação é necessário recorrer às constantes de dissociação, para que seja possível o acerto da equação química, pois existem mais incógnitas que equações.
3.3.3. Equilíbrio Químico para Gases Perfeitos
Quando existe dissociação, a lei do equilíbrio químico para os gases perfeitos, é dada de diferente forma, atribuindo a kmol de A, b kmol de B, sendo A e B reagentes, obtêm-se c kmol de C e d kmol de D obtêm-segundo a reação exotérmica:
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Como a velocidade de reação depende das pressões parciais dos reagentes, vem:
V1 = k1 paA pbB (3.10)
a partir de uma certa temperatura, a reação pode dar-se em sentido contrario, desde que receba energia suficiente, reação endotérmica:
cC + dD aA + bB (3.11)
à velocidade:
V2 = k2 pcC pdD (3.12)
Como as proporções A, B, C, e D se ajustam para que as duas reações se concretizem simultaneamente à mesma velocidade, existe então um estado de equilíbrio químico:
aA + bB cC + dD (3.13)
Sendo as velocidades V1 e V2 iguais:
a c d
c d
a
(3.14)
onde kp é a constante de equilíbrio ou constante de dissociação. O índice p, indica que
esta grandeza é definida a partir das pressões parciais das espécies químicas. Tendo em conta que as pressões parciais estão diretamente relacionadas com as frações molares, isto é, para uma pressão parcial A vem:
pA =
a
a c d pt = XA pt (3.15)
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Assim, podemos escrever, para as reações de dissociação do dióxido de carbono e da água: kp1 = , (3.16) kp1 = , (3.17)
Para o acerto da equação, no caso de existir o fenómeno de dissociação, usa-se um processo iterativo envolvendo a primeira lei da termodinâmica aplicada à combustão.
3.3.4. Poder Calorífico
Designa-se por poder calorífico inferior do combustível, o calor libertado na combustão completa de um quilograma ou de um metro cúbico de combustível e é expresso em kJ/kg ou kJ/m3.
Apesar de existirem valores tabelados, a sua determinação pode ser feita, com um erro máximo de 5%, através da fórmula de Dulong e Petit:
PCI = 32790C + 119790 ( H2 – ) +
+ 9250S – 2512E
(3.18)
em que C, H2, O2 e S são as percentagem destes elementos no combustível, em peso; E
é a percentagem de água no combustível; O2/8 é a correção dada, no caso de o
combustível conter hidrogénio, pois este elemento combina-se com o oxigénio dando origem ao aparecimento de água, que se vaporizará e 2512E representa a correção devido à energia absorvida pela água na sua transformação em vapor.
Da expressão anterior, conclui-se que desde exista água nos produtos de combustão, podem ser determinados os dois valores do poder calorífico, o superior e o inferior.
Na maioria dos combustíveis comercializados, a água nele contida, pode manter-se no estado de vapor ou condensada. No poder calorífico superior, a água é toda
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condensada e arrefecida até à temperatura inicial; no poder calorífico inferior, não se considera a condensação do vapor de água.
3.4. Áreas de Transferência de Calor
Conhecendo as dimensões dos tubos que caracterizam o permutador, facilmente se determina as áreas de transferência de calor e as áreas que dizem respeito ao escoamento dos gases de combustão, sendo descrita desta forma:
Aml =
-
ln e t
int
(3.19)
3.4.1. Coeficientes de Transferência de Calor
A distribuição de temperatura num meio é controlada por três modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação. De modo a que exista uma simplicidade de análise, pode-se considerar a convecção separadamente, e a condução e radiação desprezadas.
No caso concreto do estudo, em termos de convecção, esta é forçada no interior dos tubos e natural no seu exterior (lado da água).
Para o cálculo, são necessárias as propriedades físicas dos gases de combustão e da água, calculadas às temperaturas médias correspondentes.
3.4.2. Convecção forçada no interior dos tubos
Como as propriedades termodinâmicas à temperatura média dos gases de escape, não se encontram tabeladas, tem que se recorrer às tabelas dos elementos correspondentes, ou seja, CO, CO2, CO, O2, H2, N2 e H2O, sendo a determinação do coeficiente de
convecção um cálculo ponderado com o fim de determinar as mesmas propriedades, mas agora para os gases de combustão.
O número de Reynolds é dado pela equação (3.20), onde u é a divisão do caudal volúmico de gases de escape pela area interior do tubo, di o diâmetro interno dos tubos e
ν é a viscosidade cinemática dos gases de combustão à temperatura média dos gases de combustão.
28 Re = u di
ν (3.20)
O número de Nusselt, que depende diretamente do número de Reynolds, é dado pela Equação (3.21)
.
Nu = 0,023 + e , r / (3.21)
onde Pr é o número de Prandtl dos gases de escape à temperatura média
O coeficiente de transferência de calor é determinado pela Equação (3.22),
h = Nu
di (3.22)
onde k é a condutividade térmica dos gases de combustão, à temperatura média dos gases de combustão.
3.4.3. Convecção Natural no Exterior dos Tubos
Para o cálculo do coeficiente de convecção natural, é necessário um processo bastante mais complexo e moroso do que o cálculo anterior. Para tal é necessário um processo iterativo, pois não se conhece a temperatura de parede, necessária para a determinação das propriedades termodinâmicas da água.
Ao contrário da conveção forçada, utiliza-se a temperatura média de filme e não a temperatura média do fluido.
Para iniciar o cálculo do coeficiente de transferência de calor no exterior dos tubos, começa por ser arbitrado um valor para a temperatura de parede, Equação (3.23),
Tparede = Tmed(água) +
a sor ida ua
h e t
(3.23)
Com o cálculo de um novo valor para esta temperatura, e caso seja diferente deverá iniciar-se uma nova iteração, mas agora começando com o valor determinado. O
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processo termina quando o valor seja idêntico ou muito aproximado em duas iterações consecutivas.
O número de Grashof é obtido a partir da aplicação da Equação (3.24), onde g é a aceleração da ra idade, β é o coeficiente de e ansão térmica da ua, ν é a viscosidade cinemática da água, L é o comprimento dos tubos, Tparede é a temperatura da
parede externa e Tfilme é a temperatura média de filme.
Gr = β arede- filme
ν
(3.24)
onsiderando que r desi na o número de randtl e α a difusi idade térmica, o número de Rayleight pode ser dado pela Equação (3.25):
Ra = Gr Pr = β arede- filme
α ν
(3.25)
3.4.4. Coeficiente Global de Transferência de Calor
É um coeficiente que caracteriza a resistência térmica total à transferência de calor entre os dois fluidos (quente e frio). O efeito da resistência térmica pode ser incluído nos cálculos através da Equação (3.26).
hi re t ln re t rint rint re t he (3.26)
onde hi é o coeficiente de transferência de calor dos gases de escape; rext é o raio
exterior do tubo de escape; rint é o raio interior do tubo de escape; k é a condutividade
30
4.Dimensionamento do Permutador
Neste Capítulo são apresentados e discutidos os resultados da aplicação do procedimento anteriormente apresentado resultando no dimensionamento do permutador
Com a ajuda da folha de cálculo realiza-se os mais diversos processos iterativos com respectivas interpolações termodinâmicas, por isso torna-se necessário um programa que realize esses cálculos de uma mais simples e intuitiva, ajudando o utilizador a mudar as variáveis dependendo do seu projeto.
4.1. Seleção do Gerador
Para se dar início ao processo de dimensionamento, foi selecionado o gerador da F. Yilong conhecido nos países emergentes e uma das principais construtoras Chinesas seus geradores são conhecidos pela sua fiabilidade e economia.
O modelo, YL 8000G, funciona a gás natural, e garante uma potência elétrica, entre os 5 e os 5,5 kW, isto é um dos critérios que levou à sua seleção, para que possa enquadrar com os Decretos de Lei para venda de energia elétrica.
As vantagens deste gerador são, a potência, o nível de ruído, e também a facilidade de transporte e armazenamento, mas o mais importante é o uso de gás natural como combustível, baixando assim os gastos mensais em energia. Como desvantagem tem um nível de ruido mais elevado do que um gerador a funcionar a gasolina sem chumbo.
Tem uma potência mecânica de 11,000 kW e apresenta um caudal de gases de combustão de 0,00313 kg/s.
Os dados do fabricante encontram-se em Anexo A.
4.2. Coeficiente de Transmissão Térmica por Convecção Natural (água)
Para o dimensionamento do permutador de calor, utilizamos os dados apresentados na Tabela 1, que corresponde aos dados do projeto. Estas propriedades pertencem a um dos fluidos, a água, é ela que vai ser aquecida através do outro fluido, os gases de combustão, que influencia a temperatura final.
31 Grandeza Temperatura de entrada Tea 288,150 K Temperatura de saída Tsa 333,150 K Temperatura média Tma 310,650 K Caudal mássico m 0,056 kg/s Caudal volúmico Q 0,013 m³/s Calor específico cp 4,175 kJ/kg.K Número de Prandtl Pr 4,550 Viscosidade μ 4,67E-04 Kg/m.s
Viscosidade cinemática ν 6,9E-07
Densidade ρ 993,150 kg/m³
Condutividade térmica k 0,629 W/m.K
Difusividade térmica α 1,505E-07 m2/s
Coeficiente de expansão térmica β 3,675E-04 K-1
De seguida serão determinadas as propriedades da água tendo em conta a determinação do coeficiente de transmissão térmica por conveção natural
Neste caso vamos usar o procedimento descrito anteriormente, mais concretamente a partir do sub Capítulo 3.4.3.
No seguimento dos dados retirados da Tabela 1, vamos prosseguir com os cálculos para a água; estes estão apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 - Variáveis térmicas da água
Grandeza
Coeficiente de transferência de calor h 166,026 W/m².K
Número de Grashof Gr 6,56E+10
Número de Nusselt Nu 132,081
Número de Rayleight Ra 3,0E+11
Temperatura de parede Tpa 450,000 K
Temperatura média de filme Tmfilme 380,325 K
Número de Reynolds Re 29701,410
Depois de encontrado os valores da transmissão térmica vamos calcular a potência térmica disponível, através da Equação (4.1)
32
m c (4.1)
Obtendo assim uma potência de 8,560 kW, que é usada para o aquecimento da água.
4.3. Propriedades dos Gases de Combustão
No cálculo das propriedades dos gases de escape, vamos partir da temperatura adiabática de chama do metano e admitir uma temperatura de saída dos gases de escape, para a se saída admitimos um valor admissível para um motor destas dimensões.
Nas Tabelas 3, 4, 5 e 6 encontram-se os resultados das variáveis térmicas dos gases de escape assim como as respetivas potências e caudais.
Tabela 3 - Propriedades dos gases de combustão para a temperatura média
Grandeza Temperatura de saída Tsa 393,150 K Temperatura média Tma 1360,765 K Caudal mássico 0,003130 kg/s Caudal volúmico Q 0,011690 m³/s Calor específico cp 1,415 kJ/kg.K Número de Prandtl Pr 0,776 Viscosidade μ 4,988E-5 N.s/m2 Viscosidade cinemática ν 0,0001863 Densidade ρ 0,268 kg/m³ Condutividade térmica k 0,084 W/m.K
Antes de calcular os valores dos coeficientes térmicos, temos de ter em conta as dimensões e números dos tubos, a diferença média logarítmica de temperatura, isto porque estes valores influenciam os valores dos cálculos dos coeficientes.
Pela sua boa condutividade térmica, foram escolhidos tubos de cobre, e estes têm 1/2 polegada de diâmetro.
Na Tabela 4 estão demonstrados os valores dos raios dos tubos de cobre de ½ polegada.
