Apostila.curso.vapor cogeraç¦o

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1 Curso de Vapor - SINATUB Data: 28 e 29 de Agosto de 2003 Local : Hotel Nacional Inn Village - Auditório Cenacon Ribeirão Preto - S.P. Geração, Distribuição, Utilização e Consumo Tecnologia de Cogeração de Energia Palestrante: Engº Reynaldo Lagonera Quinto

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  • 1. Curso de Vapor - SINATUB Data: 28 e 29 de Agosto de 2003 Local : Hotel Nacional Inn Village - Auditrio Cenacon Ribeiro Preto - S.P. Gerao, Distribuio, Utilizao e Consumo Tecnologia de Cogerao de Energia Palestrante: Eng Reynaldo Lagonera Quinto 1
  • 2. ndice 2 Pagina 1 INTRODUO............................................................................................ 3 2 EMBASAMENTO TERICO....................................................................... 3 3 CICLOS DE POTNCIA USADOS NA COGERAO DE ENERGIA ..... 11 3.1 Ciclos Termodinmicos Bsicos.......................................................... 14 3.2 Ciclos Alternativos ................................................................................ 21 3.3 Ciclos e Processos Inovativos ............................................................. 26 4 COGERAO DE ENERGIA ................................................................... 35 4.1 Introduo .............................................................................................. 35 4.2 Cogerao com Turbinas a Vapor........................................................ 38 4.3 Cogerao com Turbinas a Gs ........................................................... 41 4.4 Cogerao em Ciclo Combinado.......................................................... 43 4.5 Cogerao com Motores de Combusto Interna ................................ 51 4.6 Custos de Gerao ................................................................................ 52 5 CALDEIRAS DE RECUPERAO DE CALOR....................................... 54 5.1 Introduo .............................................................................................. 54 5.2 Tipos bsicos......................................................................................... 54 5.3 Conceitos Gerais de Dimensionamento .............................................. 60 5.4 Aspectos Construtivos.......................................................................... 61 5.5 Rendimento ............................................................................................ 62 5.6 Sistema de Tiragem dos Gases de Exausto...................................... 63 5.7 Fabricantes............................................................................................. 65 6 EQUIPAMENTOS DE CICLO TRMICO.................................................. 67 6.1 Condensador e Torres de Resfriamento.............................................. 67 6.2 Desaerador e Pr-Aquecedores de gua de Alimentao ................. 72 6.3 Bombas................................................................................................... 74 7 ENCERRAMENTO.................................................................................... 83
  • 3. 1 INTRODUO J foi pensamento comum, no passado, que o termo cogerao significava a operao em paralelo do sistema de um autoprodutor com a rede eltrica da concessionria. Cogerao, conceito adotado internacionalmente e definido pela ABNT como o uso de uma fonte energtica nica (normalmente referenciada ao combustvel) para produzir duas formas diferentes de energia - energia eltrica ou mecnica e energia trmica. A maioria da literatura disponvel sobre o assunto usa a definio gerao simultnea de eletricidade e de calor, o que no est errado, mas tambm no est rigorosamente correto. Em primeiro lugar, nem sempre prevalece a combinao eletricidade e calor, energia eltrica e energia trmica. Em alguns casos, a coligao pode ser a energia mecnica com a energia trmica. Em segundo lugar, a gerao de energia no efetuada de forma simultnea, mas de modo seqencial. Portanto, modificando-se a definio anterior de cogerao, teremos finalmente a seguinte definio: Cogerao a produo seqencial de duas formas de energia (normalmente eltrica e trmica), atravs de uma nica fonte energtica. 2 EMBASAMENTO TERICO A cogerao est alicerada em princpios termodinmicos. A termodinmica, no seu sentido mais amplo, uma cincia que trata dos vrios fenmenos de energia e das propriedades relacionadas matria, especialmente no que concerne s leis das transformaes de calor para outras formas de energia, e vice versa. Na prtica, a engenharia termodinmica se baseia nas transferncias de energia atravs de fluidos que transportam trabalho e que so utilizados em mquinas trmicas. Essas mquinas podem ser projetadas para produzir trabalho atravs da queima de combustveis ou da transferncia de calor. O projeto, a operao e o desempenho de usinas termeltricas de cogerao, dependem consideravelmente dessa cincia. A importncia dessa cincia fica mais evidente quando consideramos que mquinas trmicas, tais como turbinas e motores de combusto interna, respondem por 90% da potncia motriz mundial, os outros 10% so fornecidos por centrais hidreltricas. importante ressaltar que quase 60% do consumo mundial de energia primria destinado ao acionamento de motores trmicos. Definies Bsicas: SISTEMA definido como uma poro do universo, seja um tomo, uma certa quantidade de matria ou um certo volume no espao, que se deseja estudar. uma regio circundada por fronteiras especficas, as quais podem ser imaginrias, estar em movimento ou em repouso. Em termodinmica, o termo SISTEMA identifica o objeto da anlise. 3
  • 4. SISTEMA FECHADO um sistema com quantidade fixa de matria, sem adio ou diminuio de massa com o meio exterior. SISTEMA ABERTO o que envolve transferncia de massa e energia com o meio exterior. PROPRIEDADE a caracterstica MACROSCPICA de um sistema, como MASSA, VOLUME, ENERGIA, PRESSO E TEMPERATURA, que no depende do histrico deste sistema. Uma determinada quantidade ou caracterstica (massa, volume, temperatura, etc.), uma PROPRIEDADE somente se a mudana de seu valor entre dois estados independente do processo. As propriedades termodinmicas para uso em engenharia so apresentadas em vrias formas, incluindo grficos, tabelas e equaes. Adicionalmente, valores de propriedades termodinmicas para um crescente nmero de substncias esto disponveis em programas para micro-computadores. SUBSTNCIA PURA definida como aquela que possui uma composio qumica fixa. No precisa ser um elemento qumico ou composto. Uma mistura de vrios elementos pode ser uma substncia pura, desde que a mistura seja homognea. O estado de equilbrio dessas substncias definido pelas suas propriedades. Como exemplos de substncias puras temos a gua, o hlio e o dixido de carbono. ESTADO a condio do sistema descrita por suas propriedades. Como normalmente existem relaes entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas em termos de subconjunto. PROCESSO a mudana de estado da matria, devido modificao de uma ou mais propriedades. Processos bsicos de mudana de estado da matria: Processo isocrico ou isomtrico o que se passa a volume constante; Processo isobrico o que se processa presso constante; Processo isotrmico o que ocorre temperatura constante; Processo adiabtico aquele que ocorre sem troca de calor com o ambiente; Processo isentrpico o processo reversvel e adiabtico. 4
  • 5. ESTADO ESTACIONRIO aquele cujas propriedades so imutveis em funo do tempo. CICLO TERMODINMICO definido como a seqncia de processos que comeam e terminam em um mesmo estado (exemplo: o vapor circulando num ciclo de potncia). Os ciclos dos processos reversveis so chamados de ciclos ideais. Os ciclos reais so, porm, formados por processos irreversveis. ENERGIA INTERNA, U a soma das energias cintica e potencial de um corpo ou de uma substncia. a energia armazenada dentro de um corpo, em virtude da atividade e configurao de suas molculas e das vibraes dentro dessas molculas. CALOR, Q Podemos definir como a energia em trnsito que passa de um corpo ou de sistema para um outro, unicamente por causa da diferena de temperatura entre os corpos ou sistemas. Representa a parte da energia interna transferida num processo termodinmico (recebida ou rejeitada por um corpo). Para processos reversveis usando vapor num sistema esttico (sem fluxo), o calor ter as seguintes expresses: Para um processo a volume constante: Q = W + U = U2 U1 Para um processo presso constante: Q = W + U = p (V2 V1) + (U2 U1) = H2 H1 Para um processo adiabtico: Q = 0 TRABALHO, W a energia em trnsito que atravessa as fronteiras de um sistema e pode se manifestar com o efeito nico de levantamento ou deslocamento de um peso. O TRABALHO parte tambm da energia interna transmitida num processo termodinmico. Distingue-se do calor no sentido de que a transferncia de energia acompanhada por um movimento visvel do corpo ou, s vezes, por uma mudana de volume. H duas formas de transferncia de trabalho: 1) Transferncia por deslocamento (exemplo: movimento do mbolo de um pisto); Para uma relao contnua e reversvel entre as propriedades p (presso) de uma substncia e V (volume) a expresso do trabalho transferido : W = 2 5 1 p dV Para um processo a volume constante: W = 2 1 p dV = 0
  • 6. Para um processo `a presso constante: W = 2 6 1 p dV = p (V2 V1) Para um processo adiabtico (pvk = c) : W = 2 1 p dV = pV p V k 1 1 2 2 1 2) Transferncia de trabalho por eixo (exemplo: movimento giratrio de uma turbina). Chamando de T o torque e de o deslocamento angular originado pelo torque, a expresso deste trabalho reversvel : W = 2 1 T d ENTALPIA (Smbolo H) A propriedade definida pela soma da Energia Interna (U) e do produto pV (Presso e Volume) denominada entalpia. a energia total de uma corrente gasosa ou lquida composta pela energia interna U e o trabalho de deslocamento pV. H = U + pV (kcal) A entalpia especfica ou a entalpia de um corpo com massa m h = H/m (kcal/kg) ENTROPIA (Smbolo S) O termo entropia foi introduzido pela primeira vez em 1865 por um fsico alemo Clausius. uma propriedade de um sistema tal como presso e temperatura. Para um sistema termodinmico fechado, uma medida quantitativa da energia indisponvel para realizar trabalho. uma propriedade do sistema que varia diretamente com a transferncia reversvel do calor e inversamente com a temperatura absoluta em que a mudana se deu, ou seja: quando adicionamos a um corpo, com temperatura T, uma quantidade infinitamente pequena de calor dQ, a variao na entropia do corpo vale ds= dQ/T (somente para um processo reversvel) Com a aduo de uma quantidade finita de calor Q a mudana de entropia vale, S2 S1 = S = 2 1 dQ/T A Primeira Lei de Termodinmica Uma das leis fundamentais da natureza o princpio de conservao de energia. Afirma-se simplesmente que durante uma interao, a energia pode mudar de uma forma para outra, mas a quantidade total de energia mantem-se constante. A energia no pode ser criada nem destruda. A energia do sistema que passa por uma mudana
  • 7. (processo) pode ser aumentada ou diminuda por intercmbio com o ambiente, e convertida de uma forma para outra dentro do sistema. A primeira lei nos conduz ao conceito da equivalncia entre calor e trabalho, ou seja: o calor pode ser convertido em trabalho mecnico e vice-versa. Uma quantidade de calor Q pode, da mesma forma que a energia potencial, cintica, ou eltrica, produzir um trabalho W, ou, inversamente, este pode se transformar em calor. Essa relao expressa-se da seguinte forma: Q = AW Onde o fator de proporcionalidade A chamado de equivalente mecnico de calor. Sabemos que a nica forma de se modificar a energia interna de um corpo alterando a quantidade de calor (Q) ou realizando trabalho (W) sobre o mesmo. Portanto, com base na lei da conservao de energia, temos dQ = dU + dW Essa equao representa a expresso matemtica da primeira lei da termodinmica. Enuncia que a quantidade de calor dQ aduzida a um fludo, produz um aumento da energia interna dU e trabalho externo dW. Para que uma mquina trmica consiga converter calor em trabalho, a mesma deve operar em um ciclo a partir de duas fontes trmicas, uma quente e outra fria, onde retira-se calor da fonte quente (Q1), converte-o em trabalho (W), e o restante (Q2) do calor rejeitado para a fonte fria. A Segunda Lei de Termodinmica A primeira lei nada mais do que uma lei de balano energtico que enuncia o intercmbio e a conversibilidade da energia e assegura que toda a energia contabilizada. A primeira lei no indica se as converses de energia de uma forma para outra so realizadas perfeitamente ou se algumas formas podem ser transformadas completamente para outras. Tal indicao foi deixada por conta da segunda lei da termodinmica. A 2 lei da termodinmica impe limitaes na transformao de algumas formas de energia. Ela estabelece que a energia tem qualidade, bem como quantidade, e que os processos existentes ocorrem na direo de decrscimo de qualidade de energia. O calor, por exemplo, s pode fluir de corpos quentes para corpos frios. Na aprendizagem da tecnologia de cogerao, o interesse principal focaliza-se em duas formas de energia: calor e trabalho. importante entender que a segunda lei no nega a equivalncia de converso dessas duas formas, apenas o grau de converso. Como se pode discernir, o trabalho a commodity mais importante, pois pode ser completamente e continuamente convertido em calor. O contrrio no possvel. O calor no pode ser completamente e continuamente convertido em trabalho. Em outras palavras, o calor no totalmente disponvel para fazer trabalho continuamente, i.e. 7
  • 8. dentro de um ciclo (num processo a possibilidade existe). A poro do calor que no pode ser convertida em trabalho deve ser rejeitada para um reservatrio frio (corpos de gua ou mesmo a atmosfera). Portanto, conquanto a energia conservada, a sua disponibilidade no o . A disponibilidade de um sistema sempre decrescente. Uma outra forma de se expressar a segunda lei da termodinmica, que a eficincia trmica na transformao contnua de calor em trabalho, numa mquina trmica, deve ser sempre inferior a 100%. O Conceito de Reversibilidade O conceito de reversibilidade foi introduzido pela primeira vez em 1824 por Nicolas Leonard Sadi Carnot, um engenheiro francs que estabeleceu tambm as bases da segunda lei e introduziu o conceito atual de um ciclo termodinmico. A reversibilidade aplica-se exclusivamente a processos. Os processos podem ser reversveis ou irreversveis. Nos processos reversveis, as substncias, ao mudarem de estado, so capazes de retornar a seu estado inicial, sem perdas. Obviamente, no h processos reversveis ou ideais no mundo real. Processos reais so irreversveis, ou seja: sempre acompanhados de algum tipo de perda. Essas perdas podem ser causadas por atrito, reaes qumicas, vazamentos etc. Para efeito de estudo da termodinmica, os processos reais (irreversveis) podem ser representados por modelos formados por equaes ideais (reversveis),baseados no equilbrio de duas propriedades, multiplicados ou divididos por fatores que chamamos de eficincia do processo. Diagramas de Propriedades (T-S, P-v e Mollier) e Tabelas de Vapor As fases ou estados de uma substncia e os relacionamentos entre as suas propriedades so comumente mostrados e analisados por meio de grficos conhecidos como diagramas de propriedades. H cinco propriedades bsicas de uma substncia que so normalmente mostradas em diagramas de propriedades. So: presso (P), temperatura (T), volume especfico (v), entalpia especfica (h), e entropia especfica (s). No caso de uma mistura de duas fases, tal como gua e vapor, uma sexta propriedade dotada, o ttulo (x). Existem seis tipos de diagramas de propriedades comumente encontrados: Diagrama P-T (Presso-Temperatura); Diagrama P-v (Presso-Volume Especfico); Diagrama P-h (Presso-Entalpia Especfica); Diagrama h-T (Entalpia Especfica-emperatura); Diagrama T-s (Temperatura-Entropia Especfica); Diagrama de Mollier (Entalpia-Entropia). Para o estudo de ciclos de potncia envolvendo vapor de gua, os ltimos dois diagramas, o T-s e o Mollier, so os preferidos. Para os ciclos de potncia de gs 8
  • 9. como o Brayton, e os ciclos de potncia dos motores de combusto interna, os diagramas P-v e T-s so os mais utilizados. Observando as particularidades do diagrama T-s, entende-se porque ele muito til na anlise de ciclos de vapor. Viu-se anteriormente a expresso matemtica de entropia para um processo ideal: S = 2 9 1 dQ/T Podemos re-arranjar essa expresso sem afetar a sua validade, logo teremos: Q = 2 1 T dS (para as transformaes reversveis) Nota: Q < 2 1 T dS (para as transformaes irreversveis) No caso ideal de um processo adiabtico (ocorrendo sem ganho ou perda de calor) e reversvel, Q = 0 e sendo reversvel obedece a equao bsica, portanto: T dS = 0 Porque a temperatura T no pode ser zero, dS = 0 S = constante Fazendo a representao grfica dessa equao tendo a entropia no eixo das abscissas e a temperatura no das ordenadas, observa-se que a rea abaixo da curva de processo representa a quantidade de calor transferida durante o processo. Isto um importante atributo da entropia, pois possibilita a visualizao do calor adicionado ou removido do sistema, bem como do trabalho realizado. uma ferramenta muito til para se representar processos e se analisar ciclos termodinmicos. O diagrama de Mollier um outro instrumento bastante utilizado na anlise dos processos e ciclos termodinmicos a vapor.
  • 10. 10 O grfico contm uma srie de linhas de temperatura constante, uma srie de linhas de teor de umidade constante (ttulo do vapor), e uma srie de linhas de superaquecimento constante. O diagrama de Mollier usado para o vapor saturado somente quando o ttulo superior a 50% e para o vapor superaquecido. Outra ferramenta importante para a anlise dos ciclos de vapor so as tabelas de vapor. Consistem de dois conjuntos de tabelas indicando as propriedades de transferncia de energia de gua e vapor, tabelas de vapor saturado e tabelas de vapor superaquecido. As tabelas compilam valores de presso (P), temperatura (T), volume especfico (v), entalpia especfica (h), e entropia especfica (s).
  • 11. 3 CICLOS DE POTNCIA USADOS NA COGERAO DE ENERGIA As razes das 1 e 2 leis da termodinmica esto relacionadas com os estudos de ciclos. Para converter energia em suas diversas formas, particularmente em calor, com a finalidade de realizar trabalho de modo contnuo, precisa-se operar no mbito de um ciclo termodinmico. Um processo comea num determinado estado do fludo de processo e termina num outro, e pra por ai. O ciclo, por outro lado, como j se viu anteriormente, uma srie de processos que comea e termina no mesmo estado, e portanto pode se repetir indefinidamente, ou at quando se quiser. Os ciclos termodinmicos so importantes em vrias aplicaes da engenharia, como: Gerao de energia; Propulso de veculos; Refrigerao. 11
  • 12. Podem ser divididos em duas grandes categorias, ciclos de potncia e ciclos de refrigerao, dependendo da finalidade a que se destinam. Os ciclos de potncia so destinados a produzir um trabalho lquido positivo, e os equipamentos utilizados para a realizao dos mesmos so conhecidos, coletivamente, pelo nome de mquinas trmicas e motores de calor. O Ciclo de Carnot e a Terceira Lei da Termodinmica Foi Sadi Carnot, um engenheiro francs responsvel pelo estabelecimento das bases da segunda lei da termodinmica, que introduziu o conceito de um ciclo termodinmico pela primeira vez. O ciclo, conhecido como o ciclo de Carnot, o ciclo termodinmico mais eficiente possvel, o qual estabelece o limite terico para a eficincia dos ciclos de potncia. O ciclo acadmico proposto por Carnot um ciclo ideal e, portanto, apenas hipottico, pois sabemos que ciclos ideais com processos reversveis no existem. Apesar disso, o ciclo de Carnot considerado a pedra angular da termodinmica e serve como o principal referencial para se avaliar o desempenho de outros ciclos de potncia. O ciclo de Carnot opera entre dois reservatrios trmicos: um reservatrio quente, que a fonte de calor, e um reservatrio frio, para onde o calor excedente rejeitado. O fluido de trabalho que executa o ciclo passa por uma srie de quatro processos internamente reversveis: Processo 4-1: O fludo de trabalho comprimido, isentropicamente, do estado 1 at 12 estado 2. Processo 1-2: O fludo de trabalho colocado em contato com o reservatrio quente e absorve energia trmica, isotermicamente, do reservatrio, por transferncia de calor. Processo 2-3 O fludo se expande, isentropicamente, at atingir a temperatura do reservatrio frio. Processo 3-4: O fludo colocado em contato com o reservatrio frio para efetuar a rejeio de calor residual e comprimido, isotermicamente, at o seu estado inicial, enquanto perde energia trmica para o reservatrio frio, por transferncia de calor.
  • 13. 13 Calculando o calor absorvido teremos QA = TH (S2 S1), Similarmente, calculando o calor rejeitado teremos QR = TL (S3 S4), O trabalho efetivo corresponde diferena entre o calor absorvido e o calor rejeitado, ou seja: W = Q = TH (S2 S1) TL (S3 S4)] = (TH TL) (S2 S1), onde S3 S4 = S2 S1 Uma atribuio significativa do diagrama T-s fica evidente agora: a rea envolvida pelas linhas de processo no diagrama representa o trabalho realizado por unidade de massa, sendo que o trabalho ser sempre equivalente ao calor absorvido menos o calor rejeitado . A eficincia trmica ou o rendimento do ciclo definida como a razo entre o trabalho feito e o calor que teve que ser fornecido ao sistema durante o ciclo, logo: H W Q Q = Q = C T L R A A R A A T Q Q Q = = 1 1 A equao, para a eficincia, mostra que ela s pode valer 1, correspondendo a 100% de eficincia, se o calor QR liberado pelo sistema para o reservatrio mais frio for nulo. Esta eficincia pode ser reescrita apenas em termos das temperaturas TH e TL dos dois reservatrios, deste modo a eficincia de um ciclo de Carnot, para um gs ideal, funo apenas da razo entre as temperaturas do reservatrio frio e do reservatrio quente.
  • 14. Quando o fsico ingls William Thomson (mais conhecido como Lord Kelvin) obteve esta relao, ele percebeu que ela poderia ser usada para se definir uma escala absoluta de temperatura, que no fizesse referncia a qualquer material usado para essa medio. Isto porque as propriedades do ciclo de Carnot so independentes da substncia de trabalho usada. Esta escala conhecida atualmente como escala de temperatura absoluta, ou escala Kelvin. Por conveno, a temperatura de referncia para a escala Kelvin a temperatura na qual podem coexistir em equilbrio, gelo, gua no estado lquido e vapor dgua, um estado conhecido como ponto triplo da gua. O valor atribudo para essa temperatura de referncia de 273,16 K, lembrando que 273,16 C ou 0 K, corresponde, teoricamente, total ausncia de calor. Como vimos anteriormente, a frmula para a eficincia do ciclo de Carnot mostra que ela s pode ser igual a 1 se a temperatura do reservatrio frio for de 0 K. Se isto fosse possvel, qualquer mquina de Carnot operando entre um reservatrio quente a uma temperatura TA e um reservatrio frio a TB = 0 K, converteria todo o calor QA recebido do reservatrio quente em trabalho. Usando esta idia, Kelvin definiu o zero absoluto da seguinte maneira: O zero absoluto a temperatura de um reservatrio em contato com o qual uma mquina de Carnot no perde calor. Experimentalmente ainda no se atingiu e teoricamente impossvel se atingir o zero absoluto. O fato de que se pode chegar prximo do zero absoluto de temperatura sem nunca atingi-lo, conhecido como a terceira lei da termodinmica. 3.1 Ciclos Termodinmicos Bsicos H quatro ciclos de potncia geralmente usados na gerao de eletricidade: o ciclo Rankine, o ciclo Brayton, o ciclo Otto, e o ciclo Diesel. O ciclo Rankine utilizado na maioria das usinas termeltricas que operam em regime bsico. O ciclo Brayton o ciclo de potncia adotado para turbinas a gs, freqentemente utilizadas para a operao nos horrios de pico de demanda eltrica. Os ciclos Otto e Diesel so os de motores de combusto interna que acionam os geradores geralmente empregados para aplicaes de gerao menores. 3.1.1 Ciclo Rankine Os desenvolvimentos iniciais da termodinmica concentraram-se no melhoramento do desempenho de motores a vapor. Era desejvel criar um ciclo que aproximasse o mximo possvel da condio ideal de reversibilidade e que se adequasse s caractersticas do vapor e ao controle do processo melhor do que o ciclo de Carnot. Nessa direo que o ciclo Rankine foi desenvolvido. O ciclo Rankine foi criado por um inventor escocs que lecionava na Universidade de Glasgow, William John M. Rankine, que em 1859 escreveu o primeiro livro sobre termodinmica. Foi o primeiro modelo de comparao de usinas termeltricas a vapor que teve aceitao pela comunidade cientfica mundial e que continua sendo o modelo utilizado at hoje. 14
  • 15. O ciclo Rankine um ciclo do tipo lquido-vapor, diferente do ciclo Carnot, que um ciclo adequado para todos os tipos de fludos. So quatro os processos num ciclo Rankine ideal, a saber: Processo 1-2: Compresso isentrpica do fludo de trabalho (em estado lquido); Processo 2-3: Aquecimento isobrico e ebulio do fludo de trabalho; Processo 3-4: Expanso isentrpica do fludo de trabalho (estado de vapor saturado); Processo 4-1: Rejeio de calor isobrico at a condensao total do vapor. Para a realizao do ciclo Rankine ideal utilizam-se quatro equipamentos bsicos: Uma bomba para efetuar a compresso isentrpica do fludo de trabalho que neste ponto se encontra no estado lquido, possibilitando assim a sua entrada no segundo equipamento que ; Uma caldeira para aquecer o liquido at o ponto de saturao e posteriormente evapor-lo at tornar-se vapor saturado; Uma turbina onde o vapor saindo da caldeira expandido para realizar trabalho, e por fim; Um condensador para resfriar o vapor e transform-lo em lquido, permitindo assim sua reentrada no ciclo atravs do bombeamento. O ciclo Rankine ideal inclui ainda a possibilidade de superaquecimento. Neste caso, o processo de aquecimento continuaria aps o vapor atingir o ponto de saturao e s terminaria ao se chegar temperatura desejada. O superaquecimento aumenta sensivelmente a eficincia trmica do ciclo e, adicionalmente, garante que o vapor que entra na turbina no contm umidade, o que pode provocar o desgaste das palhetas. O ciclo Rankine no to eficiente como o ciclo Carnot, porm mais prtico, sendo que a compresso no se realiza numa regio de mistura lquido-vapor e exige apenas 15
  • 16. um pequeno trabalho. A gua praticamente a nica substncia utilizada no ciclo Rankine como fludo de trabalho, devido a sua abundncia e porque possui boas propriedades trmicas. A anlise do ciclo Rankine ideal simples. Considerando como base uma unidade de massa do vapor: Trabalho de bombeamento: WP = (h1 h2) = h2 h1 Calor adicionado: QA = h3 h2 Trabalho da turbina: WT = h3 h4 Calor rejeitado: QR = h4 h1 Trabalho lquido W = (h3 h4) (h2 h1) Eficincia trmica, R: 16 ( ) ( ) h h h h 3 4 2 1 ( 3 2 ) R h h W A Q = = Ciclos de Vapor para Usinas Modernas As representaes dos ciclos de potncia a vapor apresentadas at agora no retratam fielmente as usinas termeltricas a vapor modernas. De maneira geral, vrias modificaes precisam ser incorporadas a esses ciclos para se melhorar o desempenho global, sendo as mais conhecidas o superaquecimento e o reaquecimento de vapor. O ciclo Rankine ideal inclui a possibilidade de superaquecimento. Neste caso, o processo de aquecimento continuaria aps o vapor atingir o ponto de saturao e s terminaria ao se chegar temperatura desejada. O superaquecimento aumenta sensivelmente a eficincia trmica do ciclo e, adicionalmente, garante que o vapor que entra na turbina no contm umidade, o que provocaria o desgaste prematuro das palhetas. O superaquecimento realizado atravs de uma superfcie de troca de calor adicional, conhecida como superaquecedor. Na terminologia de engenharia de usinas termeltricas, a combinao de uma caldeira e um superaquecedor denominada gerador de vapor. Nos geradores de vapor modernos so normalmente empregadas duas ou mais sees de superaquecedores, dependendo do grau de superaquecimento desejado. O ciclo de vapor com superaquecimento possui uma temperatura mdia de aduo de calor mais elevada do que o ciclo sem superaquecimento, proporcionando, dessa forma, uma eficincia trmica mais alta. Alm disso, o ttulo do vapor no final da expanso dentro da turbina sempre maior, se comparado ao estado final do vapor expandido, sem superaquecimento. Uma modificao adicional normalmente utilizada o reaquecimento do vapor. No ciclo com reaquecimento, o vapor no expandido at a presso do condensador num nico estgio. O vapor expande-se atravs de uma turbina de primeiro estgio at uma presso intermediria entre a presso do vapor superaquecido e a presso do condensador. Neste caso, o vapor extrado de um estgio intermedirio da turbina e re-introduzido no gerador de vapor, onde reaquecido. Aps o reaquecimento, o
  • 17. vapor volta turbina e expande-se num segundo estgio, at a presso do condensador. Como no caso do superaquecimento, as principais vantagens do reaquecimento so o aumento da eficincia trmica e o aumento do ttulo do vapor. No ciclo Rankine, mesmo com os melhoramentos atravs do uso de superaquecimento e de reaquecimento, a gua fria admitida para a alimentao da caldeira, a qual se mistura com a gua quente dentro da mesma. Alm de provocar choque trmico, essa mesclagem ocasiona um alto grau de irreversibilidade termodinmica. O mtodo usualmente utilizado para reduzir essa irreversibilidade o aquecimento regenerativo da gua de alimentao ou simplesmente regenerao. Essa soluo aumenta a eficincia trmica do ciclo de vapor e faz com que a gua de alimentao entre na caldeira no seu estado saturado. O processo de regenerao adotado em usinas termeltricas envolve a extrao de uma parte do fluxo de vapor da turbina em determinados pontos de expanso, utilizando-se o calor residual do vapor para o pr-aquecimento da gua de alimentao da caldeira, por meio de trocadores de calor especialmente projetados para essa finalidade. O aquecimento se realiza numa srie de passos sucessivos e no continuamente. A gua produzida por condensao do vapor nos pr-aquecedores geralmente se junta gua de alimentao, que impulsionada por meio de bombas. 3.1.2 Ciclo Brayton O ciclo de potncia utilizado em turbinas a gs foi originalmente proposto por dois inventores, separadamente: o cientista ingls James Prescott Joule e o engenheiro americano da cidade de Boston, Estados Unidos, chamado Geoge Brayton. Portanto o ciclo termodinmico de turbinas a gs tem dois nomes: ciclo Brayton e ciclo de Joule. Como sabido, o primeiro prevalece atualmente. H poucas pessoas que o chamam de ciclo de Joule. A primeira turbina a gs, construda com xito em 1939 pela Heinkel Aircraft Company, continua sendo o modelo para praticamente todos os avies,(exceto os de pequeno porte), assim como para muitos barcos de alta velocidade e, cada vez mais, na gerao de energia eltrica. No ciclo Brayton ideal, o fludo de trabalho o ar, o qual passa por quatro processos: Processo 1-2: O ar introduzido num compressor onde submetido a compresso 17 isentrpica; Processo 2-3: O ar comprimido conduzido para uma cmara de combusto, onde recebe calor presso constante, atravs da queima do combustvel. O ar, neste processo, serve como comburente para o processo da queima; Processo 3-4: Os produtos da combusto entram na turbina e se expandem isentropicamente; Processo 4-1: O calor restante lanado atmosfera presso constante.
  • 18. Considerando como base uma unidade de massa do ar: Trabalho de compresso: WC = (h1 h2) = h2 h1 Calor adicionado: QA = h3 h2 Trabalho da turbina: WT = h3 h4 Calor rejeitado: QR = h4 h1 Trabalho lquido W = (h3 h4) (h2 h1) Eficincia trmica: 18 ( ) ( ) h h h h 3 4 2 1 ( 3 2 ) R h h W Q A = = 3.1.3 Ciclo Otto Os motores alternativos de combusto interna trabalham com dois tipos de ciclo: o ciclo Otto e o ciclo Diesel. O ciclo Otto, de quatro tempos, foi desenvolvido em 1867 por Nikolaus August Otto, um engenheiro alemo. considerado o prottipo ideal para a grande maioria de pequenos motores de combusto interna e largamente utilizado em transportes nos dias de hoje. No ciclo ideal Otto do tipo padro a ar, adota-se o ar como o fludo de trabalho, o qual passa por quatro transformaes: duas adiabticas e duas isomtricas. Nessas condies, os motores so classificados como de quatro tempos e os processos inerente ao seu ciclo so: Processo 1-2: Compresso isentrpica em que a mistura de vapor de combustvel (que presumimos como sendo a gasolina) e de ar entra presso
  • 19. constante em 1 (admisso) e comprimida, adiabaticamente, at 2 (compresso); Processo 2-3: Adicionamento de calor a mistura aquecida instantaneamente por meio da combusto da mistura, enquanto o volume permanece constante. A presso e a temperatura aumentam devido centelha eltrica da vela, que promove a ignio da mistura (ignio ou exploso); Processo 3-4: Expanso isentrpica em que os gases expandem-se adiabaticamente realizando trabalho do motor (expanso); Processo 4-1: Rejeio de calor os gases so descarregados do motor e lanados atmosfera a volume constante (exausto), completando assim um ciclo. Independentemente do tipo de fludo de trabalho para o caso de um processo reversvel num sistema esttico (sem fluxo), o calor Q = U, portanto: Calor adicionado: QA = U3 U2 = m cv dT = mcv23 (T3 T2) Calor rejeitado: QR = U1 U4 = m cv dT = mcv 41(T1 T4) = mcv41 (T4 T1) Trabalho lquido W = Q = mcv 23(T3 T2) mcv41(T4 T1) Eficincia trmica: 19 ( ) ( ) c T T c T T v v 23 3 2 41 4 1 23( 3 2 ) O c T T W Q v A = = Assumindo que os calores especficos provenientes dos processos 2-3 e 4-1 so iguais, os cvs se cancelam e a equao para eficincia do ciclo Otto pode ser simplificada: n T T O 1 4 1 T T 3 2 = Utilizando a relao temperatura-volume para um processo isoentrpico e taxa de compresso rk = V1 /V2 = V4 /V3, 1 1 = k 1 O r k n
  • 20. 3.1.4 Ciclo Diesel O motor a diesel surgiu em 1892 com outro engenheiro alemo, Rudolph Diesel. O motor diesel projetado para ser mais pesado e mais potente do que os motores a gasolina e utiliza leo como combustvel. Eles so usados em mquinas pesadas, locomotivas, navios, e em alguns tipos de automvel. O ciclo Diesel ideal composto por duas transformaes adiabticas alternadas, uma transformao isobrica e outra isomtrica. No ciclo Diesel ideal tipo padro a ar, o fludo de trabalho apenas o ar, que opera com quatro tempos e segue quatro processos, a saber: Processo 1-2: Compresso isentrpica o ar admitido ao cilindro em 1 (admisso) e comprimido adiabaticamente ate 2 (compresso); Processo 2-3: Adio de calor no final da compresso adiabtica, o leo diesel, finamente atomizado, injetado na cmara de combusto a uma presso constante, onde se mistura com o ar comprimido quente, iniciando assim a auto-ignio da mistura (ignio) e a exploso subseqente; Processo 3-4: Expanso isentrpica os gases expandem-se adiabaticamente, realizando trabalho do motor (expanso); Processo 4-1: Rejeio de calor Os gases so descarregados do motor e exauridos atmosfera a volume constante (exausto) assim completando um ciclo. No ciclo Diesel no h a necessidade da velas para produzir a ignio. O leo Diesel injetado na cmara de combusto somente no final da compresso quando a temperatura suficientemente alta para queimar o combustvel, sem a necessidade da centelha eltrica. Essa a principal diferena entre o motor Diesel e o motor a gasolina. Para o ciclo Diesel, a taxa de compresso varia de 15 a 20 enquanto para o ciclo Otto a taxa de compresso da ordem de 8 para um motor moderno. 20
  • 21. Como o ciclo Diesel opera de modo similar ao ciclo Otto, as expresses matemticas que o definem so bastante semelhantes. Considerando o calor especfico constante para uma unidade de massa, teremos: Calor adicionado: QA = h3 h2 = cp dT = cp (T3 T2) Calor rejeitado: QR = u1 u4 = cv dT = cv (T1 T4) = cv (T4 T1) Trabalho lquido W = Q = cp(T3 T2) cv(T4 T1) = = [k constante] [k constante] 21 ( ) T T 4 1 ( ) ( ) 3 2 c T T 1 4 1 1 D 3 2 k T T v c T T W Q p A = Essa expresso pode ser convertida a uma forma mais conveniente sem as temperaturas, ou seja k c 1 1 1 1 = 1 ( ) D k r c k k r r 3.2 Ciclos Alternativos Outros ciclos de potncia menos usuais apresentam um grau de sofisticao o suficiente para serem adotados. Na prtica, porm, ainda no foram implementados em grande nmero. So os seguintes: Ciclo CRO; Ciclo Kalina; Ciclo Cheng.
  • 22. 22 3.2.1 CRO (Ciclo Rankine Orgnico) basicamente o mesmo ciclo empregado para as turbinas a vapor ou seja, o ciclo Rankine. A diferena que, em vez da gua como fludo de trabalho, utilizam-se compostos orgnicos como os hidrocarbonetos isopentano, iso-octano, tolueno ou fluido de silicone ou amnia. Os gases refrigeradores como os CFCs ou freon tambm possuem excelentes caractersticas trmicas, que os tornam aptos para serem utilizados no CRO. Mas sua ao danosa camada de oznio faz com que o uso desses agentes de refrigerao fique proibitivo. O ciclo Rankine convencional que utiliza gua e vapor como fludo de trabalho apresenta a desvantagem da necessidade de superaquecer o vapor, caso contrrio, o teor de umidade aps a expanso do vapor dentro da turbina provocaria a eroso das palhetas. Substncias orgnicas, que evaporam a temperaturas mais baixas do que a gua e que podem ser utilizadas para temperaturas inferiores a 400 C, no precisam ser superaquecidas. O CRO pode valer-se ento de calores residuais de baixa temperatura (pode chegar a 70 - 80 C) para gerar eletricidade, e o ciclo pode ser melhor adaptado para combustveis como a biomassa que possuem baixas temperaturas de combusto. Se adotado o ciclo Rankine convencional nessa faixa de temperatura, o custo-benefcio seria totalmente inaceitvel, devido aos enormes volumes de vapor de baixa presso que seriam necessrios, acarretando, deste modo, uma usina desproporcional. A eficincia de um CRO estimada entre 10 e 20%, dependendo dos nveis de temperatura adotados. Em muitas instalaes produtivas onde no h utilizao prtica de uma grande quantidade de calor residual de baixa temperatura (na faixa de 70 a 400 C) o CRO passa a ser a tecnologia mais adequada para a recuperao do calor residual e o seu posterior aproveitamento para a gerao de energia. CROs para mquinas de pequeno porte tm operado comercialmente ou como plantas piloto, nas duas ltimas dcadas. Estima-se que j foram construdas 30 usinas de CRO at 1984.
  • 23. Os custos de investimento ainda so altos (aprox. 2.300/kWel ) e por este motivo a tecnologia do CRO ainda no considerado muito atraente. Entretanto, existem planos, em alguns paises desenvolvidos, para a sua implementao, como no caso da usina a ser construda no complexo da Hydro Agri na Holanda, que produzir energia eltrica a partir da recuperao de calor residual a 190 C, utilizando o isopentano como fludo de trabalho. Esta usina de CRO ter uma capacidade instalada de 2,6 MWe.. Uma aplicao bastante promissora do CRO reside na gerao de energia eltrica a partir do aproveitamento do calor residual de estaes de compresso de gs natural. Um estudo realizado nos Estados Unidos revelou que a recuperao do calor residual de todas as estaes de compresso associadas aos gasodutos norte americanos possibilitar a gerao de, pelo menos, 1.000 MW de energia eltrica. Praticamente todas essas estaes utilizam turbinas a gs como acionadores dos compressores, as quais operam em ciclo simples e perdem 65 a 75% da energia primria (contida no combustvel), dependendo da eficincia das turbinas. 3.2.2 Ciclo Kalina O ciclo Kalina um ciclo Rankine modificado. No lugar da substncia pura gua, adotada como fludo de trabalho no ciclo rankine convencional, que ferve a uma temperatura constante, utiliza-se uma mistura amnia/gua, que ferve a uma temperatura varivel. A ebulio a uma temperatura varivel permite ao fludo de trabalho manter uma temperatura mais prxima daquela dos gases de combusto na caldeira, melhorando assim a eficincia. Alterando a concentrao de amnia na mistura em circulao em vrios pontos do ciclo, possibilita-se a otimizao da presso de condensao do vapor exaurido da turbina, assim como a presso de superaquecimento do vapor vivo introduzido na turbina, aumentando a queda entlpica e, por conseguinte, a eficincia trmica (tipicamente consegue-se de 5 a 15% de incremento desse rendimento). 23
  • 24. O ciclo Kalina, proposto pelo russo Alexander Kalina em 1984 , segue os mesmos princpios do ciclo Rankine convencional, mas necessita de algumas modificaes de configurao para a consecuo dos objetivos funcionais do ciclo. O seguinte exemplo mostra a configurao mais simples que possvel adotar no caso do ciclo Kalina. Nota-se que, no que se refere parte de recuperao de calor dos gases de combusto, o ciclo Kalina apresenta o mesmo arranjo bsico do ciclo Rankine, enquanto no caso do subsistema associado ao processo de condensao os dois ciclos divergem. O subsistema pertencente ao ciclo Kalina requer equipamentos adicionais para permitir a variao da concentrao de amnia atravs de um processo de separao amnia/gua, promovido pela recuperao eficiente da energia interna do ciclo. O fludo de trabalho (mistura com alta concentrao de amnia) evaporado e superaquecido na caldeira de recuperao de calor antes da admisso na turbina e da expanso subseqente. Um reaquecedor recupera a energia trmica do vapor de escape da turbina e transfere parte dela para induzir o processo de separao, num equipamento denominado separador. O separador gera dois fluxos de lquido: um com baixa concentrao de amnia e outro rico em amnia. O fluxo com baixa concentrao de amnia desviado para juntar-se com o fludo de trabalho advindo da turbina antes de condensao no condensador de baixa presso. Uma bomba eleva a presso do condensado extrado do condensador, e o fluxo novamente dividido: um conduzido ao separador via o reaquecedor e o outro mesclado com o vapor rico em amnia para restaurar a concentrao de amnia do fludo de trabalho. A mistura bifsica encaminhada a um condensador de alta presso e o condensado resultante bombeado para a alimentao da caldeira de recuperao. O ciclo Kalina apresenta um desempenho termodinmico melhor que o ciclo Rankine. A melhor configurao do ciclo Kalina gera aproximadamente 16 a 30% mais energia que um ciclo Rankine convencional. O custo de investimento para uma usina com ciclo Kalina maior (em torno de 20%), se comparado a uma usina projetada para operar com o ciclo Rankine. Em 1992, uma planta de demonstrao do ciclo Kalina iniciou a operao no Centro de Engenharia de Tecnologia de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos. A planta gerava 3 MWe utilizando calor residual a 540 C. Em 2000, uma planta geotrmica projetado para funcionar com o ciclo Kalina iniciou operao comercial em Hsavk, Islndia. Produzia 1,6 MWe utilizando vapor geotrmico com temperatura de 121 C. H tambm uma planta na siderrgica de Sumitomo, no Japo, que gera 3,1 MWe a partir de efluentes de gua de resfriamento, com temperatura de 98 C. 24
  • 25. 25 3.2.3 Ciclo Cheng ou STIG Mais conhecido com o nome STIG (Steam Injected Gs Turbine), o ciclo Cheng nada mais do que uma variante do ciclo de Brayton, ou seja: uma modificao do ciclo simples de turbina a gs. Nesse ciclo, uma parte do vapor produzido na caldeira de recuperao injetada na cmara de combusto para aumentar a potncia e a eficincia da turbina. O ganho de eficincia que a turbina apresenta com a utilizao do ciclo Cheng devido principalmente ao aumento do fluxo de massa proporcionado pela injeo de vapor. A injeo de vapor tambm proporciona uma reduo considervel de emisses de xidos de nitrognio (NOX). O ciclo foi desenvolvido pelo Dr. Dah Yu Cheng, professor da Universidade de Santa Clara, Estado da Califrnia, nos Estados Unidos. As primeiras unidades de gerao foram instalados em 1984 pela International Power Technology, Inc, empresa que o Dr. Cheng fundou, sendo duas na fbrica da Sunkist Growers, Inc. em California e outra, a primeira a operar comercialmente, na Universidade do Estado de Califrnia em So Jos, Califrnia. Por razes bvias, o ciclo Cheng requer o uso de um vapor extremamente limpo, exigindo, para tanto, um tratamento especial da gua de alimentao da caldeira de recuperao. Os processos de tratamento de gua normalmente adotados so: megafiltrao, osmose reversa, ultrafiltrao e polimento por desmineralizao. Uma variante desse ciclo denominada ISTIG (Intercooled Steam Injected Gs Turbine). No caso do ISTIG um resfriador intermedirio instalado entre estgios do compressor de ar. Isto possibilita a operao da turbina a gs a uma temperatura muito mais elevada, devido ao melhoramento do resfriamento das palhetas da turbina por meio do ar extrado do compressor. Essa modificao aumenta ainda mais a potncia e a capacidade de gerao de energia eltrica da turbina a gs.
  • 26. 3.3 Ciclos e Processos Inovativos Nesta categoria pertencem os ciclos e processos que ainda no so maduros o suficiente a serem aplicados na prtica. A maior parte desses ciclos e processos ainda se encontram na fase de desenvolvimento ou que ainda no foram adequadamente testados. Incluem: Ciclo Ericsson; Ciclo Stirling; Clulas a combustvel; Motor a vapor do tipo parafuso; Ciclo de turbina a ar quente; Ciclo de turbina a gs inverso. 3.2.1 Ciclo Ericsson O ciclo Ericsson um outro ciclo originalmente concebido como sendo reversvel, destinado para utilizao em motores de calor do tipo combusto externa e tendo o ar como fludo de trabalho. O ciclo incorpora um aspecto que o diferencia dos outros - usa um regenerador, uma cmara na qual energia pode ser transferida do fludo de trabalho e posteriormente armazenada. O ciclo, proposto pelo inventor sueco John Ericsson, consiste de quatro processos internamente reversveis: 26
  • 27. Processo 1-2: Expanso isotrmica: adicionamento de calor da fonte externa ao 27 fludo de trabalho; Processo 2-3: Regenerao a presso constante (armazenamento de energia trmica): transferncia interna de calor do fludo de trabalho para o regenerador; Processo 3-4: Compresso isotrmica: rejeio de calor ao reservatrio frio; Processo 4-1: Regenerao a presso constante (retirada de energia trmica armazenada): transferncia interna de calor do regenerador de volta para o fludo de trabalho. No ciclo Ericsson ideal, a utilizao de um regenerador cuja eficincia de 100% permite que todo o calor armazenado no regenerador durante o processo 2-3 seja transferido ao fludo de trabalho no processo 4-1. Similarmente, todo o calor adicionado externamente seria acrescido ao fluido de trabalho no processo isotrmico 1-2, e todo o calor rejeitado para o meio ocorreria no processo isotrmico 1-2. Da, pode se concluir que a eficincia trmica do ciclo de Stirling obtida pela mesma expresso da eficincia trmica do ciclo de Carnot. Se a fonte de calor e o reservatrio frio estiverem s temperaturas TA e TB,respectivamente, e todos os processos forem reversveis, teremos: Calor adicionado: Q mRT V A = 2 1 1 ln V Calor rejeitado: Q mRT V R B = ln 4 V 3
  • 28. 28 T T mR V A B Trabalho lquido W = Q = ( ) ln 2 V 1 ( ) B W T T = E T A A B A A T T Q = = 1 (Igual a do ciclo Carnot) O ciclo Ericsson, apesar de ser uma inveno do sculo XVIII, no atraiu maior interesse. 3.2.2 Ciclo Stirling O ciclo Stirling um ciclo regenerativo (usa regenerao) similar ao ciclo Ericsson. O ciclo foi originalmente proposto em 1816 pelo escocs e pastor protestante Reverend Robert Stirling. O ciclo Stirling consiste de quatro processos internamente reversveis: Processo 1-2: Expanso isotrmica: adicionamento de calor da fonte externa ao fludo de trabalho; Processo 2-3: Regenerao a volume constante (armazenamento de energia trmica): transferncia interna de calor do fludo de trabalho para o regenerador; Processo 3-4: Compresso isotrmica: rejeio de calor ao reservatrio frio; Processo 4-1: Regenerao a volume constante (retirada de energia trmica armazenada): transferncia interna de calor do regenerador de volta para o fludo de trabalho.
  • 29. Como no caso do ciclo Ericsson ideal a utilizao de um regenerador cuja eficincia de 100% permite que todo o calor armazenado no regenerador durante o processo 2-3 seja transferido ao fludo de trabalho no processo 4-1. Similarmente, todo o calor adicionado externamente acrescido ao fludo de trabalho no processo isotrmico 1-2 e todo calor rejeitado para o meio ocorre no processo isotrmico 1-2 . Da, pode ser concludo que a eficincia trmica do ciclo de Stirling fornecido pela mesma expresso da eficincia trmica do ciclo de Carnot. Se a fonte de calor e o reservatrio frio estiverem s temperaturas TA e TB respectivamente e todos os processos forem reversveis teremos: Para um processo isotrmico constante de um gs ideal: Q = W = pV ln(V2/V1) = mRT1 ln (V2/V1) mRT V A B mRT V ln 2 ln = 1 (Igual a do ciclo Carnot) 29 Calor adicionado: Q mRT V A A = ln 2 V 1 Calor rejeitado: Q mRT V R B = ln 3 V 4 Trabalho lquido = = Q W 3 4 1 V V Mas V2 = V3 e V1 = V4 Assim V2/V1 = V3/V4 e B T T = S T A A B A T T O ciclo de Stirling, assim como o de Ericsson, de interesse terico de ciclos que possuem a mesma eficincia trmica do ciclo de Carnot. Entretanto, um motor prtico do tipo cilindro-pisto que opera em um ciclo regenerativo fechado possuindo aspectos
  • 30. em comum com o ciclo de Stirling, vem sendo estudado recentemente. Este motor conhecido como Motor Stirling. O motor Stirling oferece a oportunidade de uma alta eficincia, alm de uma emisso reduzida de poluentes, porque a combusto atua externamente e no dentro do cilindro, como acontece nos motores de combusto interna. No motor Stirling, a energia transferida para o fludo de trabalho por produtos da combusto, os quais so mantidos separadamente. 3.2.3 Clulas a Combustvel Entre os processos inovativos que surgiram nos ltimos tempos, as clulas a combustvel tornou-se a vedete e h uma proliferao de literatura tcnica sobre este assunto. E s fazer a busca na Internet. H boas razes para isso. As clulas a combustvel conseguem um melhor aproveitamento de energia primria (combustvel) e alcanam eficincias sensivelmente altas, mesmo em baixas temperaturas. Na prtica, obtm-se eficincias de 55% a 60%. Deve-se, porm, salientar que usinas modernas em ciclo combinado, queimando gs natural e instalaes convencionais modernas, com turbinas a gs otimizadas, tambm j atingem valores de eficincia de 55%. Portanto, esse indicador, isoladamente, no a principal vantagem de sistemas de gerao de energia com clulas a combustvel, mas sim a vantagem proporcionada em termos ecolgicos, alm de serem dispositivos compactos, silenciosos, e de fcil manuteno. Atualmente, projeta-se um mercado atraente para sistemas de clulas a combustvel visando a gerao de energia, com aplicaes em gerao distribuda de pequena porte como, por exemplo, em condomnios residenciais, reparties pblicas e hospitais. Clulas a combustvel so dispositivos eletroqumicos, normalmente no formato de bateria ou pilha, os quais convertem energia qumica diretamente em energia eltrica e trmica atravs da reao do hidrognio com o oxignio. O princpio fsico das clulas a combustvel foi descoberto em 1839 por Sir William Robert Grove. Para promover a reao, a clula precisa ser alimentada continuamente por um combustvel como o hidrocarboneto. O hidrognio, efetivamente utilizado, pode ser obtido a partir de: Eletrlise da gua; Produo de hidrognio a partir de fontes renovveis; Reforma (?) de gs natural, etanol, e gs liquefeito de petrleo para produo de hidrognio; Outros mtodos para produo de hidrognio. O oxignio, o outro elemento necessrio para promover a reao, retirado do ar. A converso ocorre por meio de duas reaes qumicas parciais em dois eletrodos separados por um eletrlito apropriado: a oxidao de um combustvel no nodo e a reduo de um oxidante no ctodo, indicadas nas seguintes reaes bsicas: 30
  • 31. nodo: H2 2H+ + 2e Ctodo: O2 + 2H+ + 2e- 2H2O Total: H2 + O2 H2O Utilizando, portanto, o hidrognio como combustvel e o oxignio como oxidante, obtm-se na denominada clula cida a formao de gua e a gerao de calor, alm da liberao de eltrons livres, que podem gerar trabalho eltrico. Um esquema simplificado de uma clula a combustvel cida apresentado na figura a seguir: Na reao andica, prtons so produzidos e posteriormente conduzidos pelo eletrlito at o ctodo, onde se ligam aos nions de O2-, assim formando gua. A eficincia mxima atingvel pelas clulas a combustvel funo do quociente entre a energia livre de reao EL e a entalpia da reao HR e no limitada pelo ciclo de Carnot como no caso dos ciclos de potncia que ns vimos anteriormente. CC = EL / HR As vantagens das clulas a combustvel aumentam quando se tem por finalidade a gerao de energia mvel, caso das clulas de baixa temperatura, onde a sua eficincia fica bem acima da dos motores convencionais. A aplicao deste tipo de CC , ento, a trao automotiva. Todas as montadoras de veculos esto desenvolvendo projetos nessa rea e as que mais tm se destacado so: Ford, Daimler-Chrysler, GM, BMW, Honda, Daihatsu, Nissan e Toyota. A clula a combustvel consiste basicamente de elementos empilhados, conhecidos como sanduches, compostos de materiais distintos que constituem os eletrodos e o eletrlito. 31
  • 32. 3.2.4 Motor a Vapor do Tipo Parafuso O ciclo associado referente ao motor a vapor do tipo parafuso extremamente simples. Para a realizao do processo de expanso do fludo de trabalho, em vez de uma turbina ou de um motor a vapor convencional, utiiliza-se um motor a vapor do tipo parafuso, o qual composto de dois rotores espirais, entrelaados entre si, ocasionando a execuo do trabalho, que se reflete no movimento giratrio desses rotores. O vapor exaurido do motor conduzido at um condensador, e o calor rejeitado pode ser aproveitado para o processo fabril ou para o aquecimento distrital (aplicao Europia). Com o auxlio de uma bomba de gua de alimentao, o condensado reintroduzido na caldeira, fechando assim o ciclo trmico. Uma planta de demonstrao de uma unidade de cogeraobaseada no ciclo de motor a vapor do tipo parafuso, foi instalada na Usina de Aquecimento Distrital de Hartberg, na ustria, que constituda de duas mquinas, com capacidades de 710 kWe e 4,8 MWt, respectivamente. 32 Motor a Vapor Tipo Parafuso - Corte Transversal 1 - Entrada de vapor vivo 2 - Sada de vapor de escape 3 - Rotor 4 - Vedao de eixo 5 - Rodas de engrenagem de sincronizao, 6 - Mancal de rolamento, 7 - Eixo
  • 33. Diagrama Simplificado de Processo da Unidade de Cogerao Utilizando Motor a Vapor do Tipo Parafuso, Instalada na Usina de Aquecimento Distrital de Hartberg 3.2.5 Ciclo de Turbina a Ar Quente Tambm conhecido como Ciclo de Turbina a Gs Indireto, esse ciclo difere do ciclo convencional de turbina a gs porque o ar quente, em vez dos gases de combusto, expandido dentro da turbina. 33
  • 34. O ar aquecido por meio de um trocador de calor de alta temperatura, que recebe os gases de combusto provenientes de uma caldeira. Aps a expanso dentro da turbina, o ar conduzido a um pr-aquecedor, com o intuito de se aproveitar o calor residual de exausto para o preaquecimento do ar comburente. Os gases de combusto, aps passar pelo pr-aquecedor, tambm contm calor disponvel para o reaproveitamento. Esse calor pode gerar vapor para utilizao no processo fabril ou para a injeo na turbina, com vistas ao aumento de potncia. 3.2.6 Ciclo de Turbina a Gs Inverso No ciclo convencional de turbina a gs, o ar comprimido, o combustvel introduzido na cmara de combusto e, subseqentemente, queimado. Os gases de exausto, de presso elevada, so expandidos dentro da turbina at a atingir praticamente a presso atmosfrica. No caso do ciclo de turbina a gs inverso, a combusto d-se presso atmosfrica, sendo os gases oriundos da combusto expandidos na turbina at uma presso inferior atmosfrica. Posteriormente, os gases so novamente comprimidos. A vantagem desse ciclo reside na realizao do processo de combusto presso atmosfrica evitando assim a implantao de um sistema sofisticado e caro para a alimentao de combustvel, em caso de queima de biomassa. O calor contido nos gases de exausto da turbina pode ser aproveitado, no processo fabril, para produo de vapor ou gua quente. Os gases de exausto se aquecem durante o processo de compresso e o calor pode ser utilizado para o preaquecimento do ar comburente, antes da sua admisso na cmara de combusto. Para aumentar a potncia e a eficincia da turbina, pode-se tambm pensar em injeo de vapor, gerado a partir do calor contido nos gases de exausto da turbina. Uma outra opo seria a de se trabalhar em ciclo combinado, com a incorporao de uma turbina a vapor. 34
  • 35. 4 COGERAO DE ENERGIA 4.1 Introduo A cogerao foi definida como a produo seqencial de duas formas de energia (normalmente eltrica e trmica), atravs de uma nica fonte energtica. importante frisar, nessa definio, no somente o propsito de produzir simultaneamente energia eltrica ou mecnica e energia trmica, mas particularmente o fato de se conseguir essa produo conjunta de dois tipos de energia a partir da queima de um nico combustvel. O trabalho obtido num sistema de cogerao pode ser utilizado em um alternador, para a produo de eletricidade, ou diretamente em equipamentos mecnicos e termomecnicos, como fora motriz; enquanto que o calor resultante servir ao processo produtivo para diversas finalidades, tais como: aquecimento, secagem etc. Portanto, fica claro que a cogerao proporciona, em si, uma maior racionalizao no uso dos energticos e, geralmente, maiores rendimentos globais nos processos industriais. , pois, uma tecnologia amplamente utilizada na atividade produtiva desde o incio do sculo passado, como meio econmico para satisfazer as necessidades energticas de muitas instalaes industriais, em todo o mundo. Na indstria, o vapor raramente usado exclusivamente para a produo de energia eltrica. O que normalmente ocorre que o vapor disponvel no processo produtivo freqentemente pode ser aproveitado para gerar uma parcela da energia eltrica consumida no complexo fabril. Isto significa que as necessidades energticas do processo de produo definem a configurao e a capacidade das unidades de cogerao. O sistema de cogerao instalado num complexo industrial, freqentemente, substitui o mtodo tradicional de se adquirir eletricidade da concessionria local e de se gerar o calor ou vapor atravs da queima do leo combustvel ou do gs natural. Apesar da sua convenincia, este mtodo bastante ineficiente, desperdiando mais de dois teros da energia contida no combustvel primrio, devido s perdas de produo e de transmisso. Usinas de cogerao produzem eletricidade de modo muito mais eficiente do que as centrais termeltricas convencionais. A eficincia global de instalaes modernas de cogerao situa-se na faixa de 70% a 90%, comparada aos 35% a 40% para a gerao convencional de eletricidade em centrais termeltricas de grande porte. 35
  • 36. Tipos Bsicos de Cogerao Existem dois tipos bsicos de tecnologia de cogerao, dependendo do que produzido em primeiro lugar, se calor ou trabalho, ou seja: ciclos topping e bottoming. No ciclo topping, a energia eltrica ou mecnica gerada num primeiro momento, e a energia trmica rejeitada na gerao de eletricidade aproveitada no processo industrial. No ciclo bottoming, o combustvel queimado para gerar energia trmica destinada ao processo fabril. O calor residual normalmente remanescente dos gases de exausto do processo, aproveitado para a produo de eletricidade. Esse sistema permite se trabalhar com maiores presses e temperaturas do vapor e, conseqentemente, se obter maiores rendimentos e trabalho til. As instalaes com ciclo bottoming so muito menos comum do que as que utilizam o ciclo topping, sendo adotadas mais em indstrias pesadas tais como as indstrias de vidro, cermica e de manufatura de metais, onde so usados fornos de alta temperatura. Normalmente, outras aplicaes industriais geram calor residual de qualidade baixa (temperatura e disponibilidade baixas) e podem produzir eletricidade somente com eficincias baixas. Nesses casos, a eficincia de cogerao inferior eficincia global para gerao separada de energia eltrica e de energia trmica. Portanto o ciclo bottoming oferece pouco valor termodinmico ou mesmo econmico, e somente o ciclo topping pode proporcionar economias reais na utilizao da energia primria. As alternativas bsicas para a cogerao industrial so: com turbina a vapor, com turbina a gs, com ciclo combinado (turbinas a gs e a vapor em operao conjugada) e com motores de combusto interna. Do ponto de vista tcnico, a opo por qualquer uma dessas alternativas depende intrinsecamente da proporo calor/eletricidade desejada. Componentes Bsicos de Uma Planta de Cogerao Independentemente da tecnologia de cogerao adotada a planta de cogerao consiste de quatro elementos bsicos: Uma mquina trmica para realizar o trabalho til ou fornecer a fora motriz; Um gerador eltrico ou um equipamento mecnico a ser acionado; Um sistema de recuperao de calor; Um sistema de controle. Eficincia de Cogerao Do ponto de vista de recurso energtico, quando comparada gerao separada de eletricidade e de calor, a cogerao vantajosa somente se conseguir proporcionar economia em termos de energia primria. A eficincia de cogerao dada pela seguinte expresso: 36 E + H A V = CO Q onde E = energia eltrica gerada HV = energia trmica ou calor no vapor de processo
  • 37. = entalpia do vapor entrando o processo entalpia do vapor saindo do processo QA = calor adicionado planta de cogerao proveniente do combustvel Para a gerao separada de eletricidade e de vapor, o calor adicionado por unidade de energia total produzido 37 e + 1 e e GV onde e = frao eltrica da energia total produzida = E + V E H A eficincia global GS para gerao separada portanto dada pela seguinte expresso: 1 + ( ) [( ) ] e GV GS e / 1 e / = a cogerao vantajosa se CO > GS Parmetros Tcnicos para Avaliao e Comparao de Alternativas de Ciclos de Cogerao Neste ponto, seria conveniente se introduzir trs conceitos bsicos muito teis para a avaliao e a comparao das opes tecnolgicas de cogerao, a saber: Razo Calor/Eletricidade (Heat to Power Ratio): Relao entre a energia trmica e a energia eltrica exigidas pela instalao consumidora. Calor Lquido para Processo (NHP Net Heat to Process): A energia lquida fornecida pelo sistema de cogerao ao processo fabril ou industrial. Combustvel Atribuvel ou Correlacionado Eletricidade (FCP Fuel Chargeable to Power) aquele destinado ao sistema de cogerao, referente s necessidades energticas de um sistema que produz apenas energia trmica, dividido pelo energia eltrica lquida produzida pelo sistema de cogerao. Em outras palavras, o combustvel incremental dividido pela eletricidade incremental. No caso de uma planta de cogerao que gera apenas energia eltrica, o Combustvel Atribuvel Eletricidade equivalente ao Heat Rate Lquido ou Consumo Especfico de Calor da planta. O Heat Rate nada mais do que o recproco de eficincia, ou seja: Heat Rate = (kcal/kWh) /100 860 Eficincia
  • 38. 38 4.2 Cogerao com Turbinas a Vapor A configurao com a utilizao de turbinas a vapor a tecnologia de cogerao mais comum no Brasil. Na atividade industrial em que o maior consumo prevalece sobre o consumo de energia eltrica (alta Razo Calor/Eletricidade), normalmente adota-se uma turbina a vapor de contrapresso. No arranjo mais comum deste sistema, o combustvel queimado numa caldeira, produzindo-se vapor de alta ou de mdia presso, o qual expandido numa turbina de contrapresso para gerar eletricidade. O vapor de baixa presso extrado do escape da turbina desviado para uma rede de consumidores do processo industrial.
  • 39. Evidentemente, do ponto de vista da gerao de energia eltrica, essa opo no muito interessante, pois se caracteriza por uma baixa relao eletricidade/vapor (6 a 30%), visto que apenas 10% a 15% da energia disponvel no combustvel convertida em eletricidade. Porm, 65% a 75% dessa energia pode ser aproveitada em vapor de processo. Os componentes principais de uma planta de cogerao com turbina a vapor de contrapresso so: a caldeira com superaquecedor, a turbina a vapor, um tanque para recolhimento de condensado, um desaerador e uma bomba de gua de alimentao. Normalmente, por motivos inerentes ao processo, a presso e a temperatura do vapor de escape da turbina devem ser mantidos constantes. Assim, quando a necessidade de vapor para o processo diminuir, a vazo do vapor passando pela turbina reduzida e, por conseguinte, a potncia gerada tambm menor. A parcela de energia eltrica faltante dever ser suprida pela concessionria local. Neste caso, a manuteno da freqncia deve ser assegurada pela rede da concessionria. Se o fornecimento de energia eltrica for interrompida, preciso mudar a regulao da turbina para controle de rotao, de modo a evitar o colapso do fornecimento de vapor e de energia eltrica para a unidade industrial. Uma estao de reduo de presso equipada com vlvula reguladora de presso deve manter o valor de contrapresso e o sistema de controle de rotao deve garantir a constncia da freqncia, valendo-se de um processo seletivo de desligamento das cargas no prioritrias da unidade industrial, para se evitar a sobrecarga dos geradores eltricos. No caso de aplicaes industriais em que os consumidores exijam vapor em nveis diferentes de presso, turbinas de contrapresso com extrao intermediria so utilizadas para permitir a alimentao de uma segunda rede de consumidores com vapor a uma presso superior `a contrapresso da turbina. A extrao pode ser uma simples sangria ou pode ser do tipo controlado. Turbinas com sangria so utilizadas quando o volume do vapor de extrao (normalmente de mdia presso) menor que o volume de vapor de exausto de baixa presso. Turbinas com extrao controlada so utilizadas quando o fluxo de vapor de extrao (de mdia presso) relativamente alto comparado com o fluxo de vapor de exausto de baixa presso e a demanda de vapor de mdia presso est sujeita a flutuaes considerveis. A presso do vapor de extrao neste caso permanece constante em todas as regimes operacionais da turbinas. Nesse arranjo normalmente prevem-se duas estaes de reduo de presso para permitir o desvio (bypass) da turbina referente aos dois nveis de presso envolvidos. 39
  • 40. Quando existe a necessidade de mais energia eltrica do que se poderia autogerar com o vapor de processo utilizando apenas turbinas de contrapresso, pode ser adotada uma das seguintes solues, sendo a escolha uma funo da razo calor/eletricidade exigida pela atividade industrial ou dos perfis de demanda de energia trmica e de energia eltrica, e da disponibilidade de combustvel na industria envolvida, a saber: No caso em que h excedente de combustvel, pode ser instalada uma turbina de condensao plena a ser alimentada pela caldeira existente comum planta (caso se disponha de margem de capacidade) ou por uma caldeira adicional. O condensador que representa o reservatrio frio do ciclo termodinmico recebe e condensa o vapor de exausto da turbina a presses baixssimas (tipicamente 0,10 a 0,15 ata). Se a industria no dispe de combustvel excedente, pode ser instalada uma turbina de condensao dotada de extraes controladas. Essa turbina possui extraes de vapor com presso regulada normalmente em dois nveis diferentes e uma seo de condensao. A combinao pode proporcionar flexibilidade tal que permite a produo exclusiva de eletricidade caso no haja consumo de vapor, ou maior consumo de vapor proveniente das extraes com menor produo de energia eltrica. 40
  • 41. Esse tipo de cogerao permite a utilizao de uma multiplicidade de combustveis, uma grande parte dos quais so menos nobres e portanto mais baratos tais como carvo, lenha e resduos industriais como licor negro e bagao de cana. Este item de sumo importncia, pois freqentemente torna vivel economicamente o empreendimento. No Brasil, os projetos de plantas ou usinas de cogerao com turbinas a vapor podem ser atendidos pelos projetistas e fabricantes nacionais no que se refere elaborao de projeto bsico e detalhado assim como ao fornecimento dos equipamentos eletromecnicos. 4.3 Cogerao com Turbinas a Gs 160 C Nos ltimos anos a turbina a gs tem se tornado principal mquina motriz para cogerao em grande escala , tipicamente gerando 1 a 120 MWe. O arranjo com turbina a gs constitui uma alternativa bem interessante, pois relativamente fcil de ser instalado e requer um espao sensivelmente menor do que uma planta com turbina a vapor. Isso aliado ao seu menor custo de investimento e a alta confiabilidade das mquinas modernas, faz da turbina a gs uma opo bastante atraente. As turbinas a gs so equipamentos compostos basicamente por um compressor de ar, uma cmara de combusto e a turbina propriamente dita. O processo exotrmico resultante da reao entre o combustvel e o ar comburente que sucede dentro da cmara de combusto gera gases quentes que ao se expandirem na turbina provocam o movimento giratrio do rotor que resulta em trabalho til no eixo. 41 G Combustvel 16.7 MW C T HRS G Ar 4700 kW gua 120 C 12.55 t/h (1.76 kW) Queima Suplementar Combustvel: 200 kW Escapamento 18.8 kg/s 545 C Vapor 56 bar/271 C 1.05 t/h, (0.81 kW) gua: 70 C 11.5 t/h, (0.94 MW)
  • 42. O eixo da turbina aciona o compressor e est normalmente acoplado a um equipamento acionado tais como alternador, bomba, moenda, ventilador etc. a fim de atender as mais variadas necessidades do processo. Os gases de exausto da turbina que atingem temperaturas de at 750 C, podem ser aproveitados para a gerao de vapor atravs de uma caldeira de recuperao de calor ou para outras finalidades da atividade industrial tais como aquecimento, secagem, condicionamento ambiental, etc. Geralmente apenas 30 a 35% da energia de combustvel convertida em energia eltrica, mas grande parte da energia trmica dos gases de exausto da turbina aproveitada na caldeira de recuperao de calor. Nesse caso, a eficincia global pode atingir facilmente os 85% ou at 90%. Isso representa, atualmente, a converso de energia qumica do combustvel com melhor rendimento. Alm da cogerao no setor industrial, uma aplicao da turbina a gs que possui um grande potencial em instalaes do setor tercirio tais como hotis, hospitais, shopping centers, edifcios comerciais, hipermercados. etc. Nesses estabelecimentos, a gerao de energia eltrica destina-se iluminao e acionamentos mecnicos enquanto que a energia trmica pode ser aproveita para aquecimento ou condicionamento ambiental, atravs de sistemas de refrigerao por absoro. Existem dois tipos bsicos de turbinas a gs: o tipo industrial ou heavy duty e o aeroderivado. Detalhes a respeito dessas turbinas sero apresentados na palestra a ser realizada hoje tarde. Esses equipamentos no so fabricados no Brasil e tm que ser, necessariamente, importados. A contrapresso no ponto de descarga das turbinas a gs modernas normalmente limitada a um valor de 200 mmCA, o suficiente para vencer a resistncia no circuito de gases formado pelos dutos e caldeira de recuperao de calor. 42
  • 43. 43 4.4 Cogerao em Ciclo Combinado O conceito bsico de funcionamento de turbinas a gs em ciclo combinado consiste na conjugao do ciclo de Brayton com o ciclo Rankine. Em termos prticos, essa conjugao implica no aproveitamento do calor contido nos gases de exausto de alta temperatura provenientes da turbina a gs em uma caldeira de recuperao de calor, para gerar vapor superaquecido, que por sua vez alimenta uma turbina a vapor, que realiza trabalho til no seu eixo, para gerar eletricidade. Parte da energia trmica contida no vapor encaminhado turbina pode ser utilizado para suprir as necessidades do processo produtivo. A conjugao do uso de turbinas a gs e de turbinas a vapor permite aumentar sensivelmente a eficincia trmica de uma usina termeltrica. Tais termeltricas, conhecidas como de ciclo combinado, so de baixo custo e, atualmente, dependendo da temperatura dos gases de exausto da turbina na entrada da caldeira so obtidos rendimentos na faixa de 47 a 56%. Quando se utiliza o princpio da cogerao no ciclo combinado, isto : com a extrao de parte do vapor nas sees intermedirias da turbina a vapor para fins industriais, consegue-se um aproveitamento terico da energia do combustvel de at 93%. Com a entrada do gs natural na matriz energtica brasileira, essa tecnologia tornou-se
  • 44. bastante atraente, no somente por ser uma alternativa mais eficiente e mais econmica, mas sobretudo por possibilitar a queima de um combustvel mais limpo, o que favorece a preservao ambiental e aumenta a vida til da mquina motriz. O ciclo combinado, alm de apresentar altas eficincias, proporciona grande flexibilidade operacional, podendo inclusive se fazer uso de diversos combustveis. 800 kW A usina com ciclo combinado consiste basicamente dos seguintes componentes principais: Uma turbina a gs ou mais dependendo da configurao adotada; Uma caldeira de recuperao de calor para cada turbina a gs; Uma turbina a vapor para cada unidade de cogerao; Um condensador; Uma bomba de extrao de condensado; Um desaerador; 44 G Combustvel 21.6 MW C GT HRS G Ar 6000 kW gua 120 C 12.5 t/h, (1.75 kW) Escapamento 36.2 kg/s 456 C 100 bar/450 C 12.5 t/h (11.26 kW) Processo por Vapor 12 bar/237 C 1.0 t/h (0.81 MW) gua 70 C 11.5 t/h, (0.94 MW) ST G 12 bar/237 C 6 t/h (4.64 kW) 56 bar/380 C 5.5 t/h (4.79 kW)
  • 45. Uma bomba de gua de alimentao. Tanto as usinas termeltricas dotadas apenas com turbinas a vapor, quanto aquelas que devem operar em ciclo combinado, o prazo para a construo e instalao de aproximadamente 2 anos. Entretanto, os mdulos com turbinas a gs podem ser colocadas antecipadamente em operao, em ciclo aberto, em aproximadamente 1 ano, enquanto dado prosseguimento montagem das unidades a vapor. Isto de extrema vantagem, por permitir o incio da amortizao dos investimentos antes da finalizao das obras. Dependendo do tipo de caldeira de recuperao adotado o ciclo de vapor pode assumir uma das seguintes configuraes: Ciclo de vapor de presso nica, sem reaquecimento de vapor e com pr-aquecimento de gua de alimentao Este ciclo utiliza uma caldeira de recuperao de calor sem queima suplementar. a configurao mais simples que pode ser aplicada para um ciclo combinado sendo utilizada extensivamente devido ao seu baixo custo. Apesar de no proporcionar uma eficincia muito elevada, considerado uma escolha so e econmica quando o combustvel no cara. O ciclo utilizado com turbinas a gs que possuem uma temperatura de gases de exausto de aproximadamente 538C ou menos. A temperatura dos gases na sada da chamin aproximadamente 171 C. Ciclo de vapor de presso mltipla, sem reaquecimento de vapor e com pr-aquecimento de gua de alimentao Ciclos de presso dupla ou tripla alcanam melhores eficincias do que sistemas de presso nica, porm seu custo instalada bem mais alto. So a escolha econmica quando o combustvel caro ou se o regime operacional exige um fator de carga alto. O ciclo se assemelha a um ciclo de presso nica coma adio de sees de baixa presso e intermediria. O melhoramento do desempenho de usinas com ciclos de presso mltipla decorre da superfcie de troca de calor adicional instalada na CRC. A temperatura dos gases na sada da caldeira fica na faixa de 93 a 127 C. Ciclo de vapor de tripla presso, com reaquecimento de vapor e com pr-aquecimento de gua de alimentao A temperatura mais alta dos gases de exausto (593 C ou maior) proporciona energia de alta temperatura e torna o ciclo com reaquecimento praticvel. Para cada aplicao especfica, a escolha entre ciclos com presso nica e ciclos com presses mltiplas deve ser feita em funo de uma avaliao econmica, a qual ter de considerar o custo instalado da planta, o custo e qualidade do combustvel, o regime operacional e os custos de operao e de manuteno. Os sistemas podem ser adquiridos com um desaerador integral CRC que utiliza energia do evaporador de baixa presso para realizar a desaerao da gua de alimentao a uma presso positiva. Neste caso h uma ligeira diminuio da eficincia trmica. 45
  • 46. Opes como o resfriamento de entrada do compressor, injeo de vapor ou de gua para o aumento de potncia, ou a queima suplementar, so melhoramentos disponveis, geralmente aplicados a aumento de capacidade em horrio de pico. Conforme um dos fabricantes mais conceituados no mercado internacional de turbinas a gs e turbinas a vapor, os sistemas em ciclo combinado que atualmente tm maior procura para aplicao em plantas de cogerao so: Ciclo combinado com CRC e turbina a vapor de contrapresso exaurindo ao processo CRC de presso nica, sem queima suplementar CRC de presso dupla, sem queima suplementar CRC de presso nica, com queima suplementar Ciclo combinado com turbina de extrao/condensao CRC de presso nica, sem queima suplementar CRC de presso dupla, sem queima suplementar CRC de presso nica, com queima suplementar Experincia Internacional A experincia internacional com usinas termeltricas operando em ciclo combinado encontra-se intimamente relacionada com a disponibilidade de um combustvel limpo e adequado para a queima em turbinas a gs. No Brasil existe ainda pouca experincia no uso do ciclo combinado para a gerao termeltrica, podendo-se citar, entre outros, a UTE Nova Piratininga, composta de 4 unidades com turbinas a gs com 100 mW de capacidade cada, a unidade de gerao da Replan (Refinaria de Paulnia SP), composta por duas unidades geradoras com turbinas a gs de 23,5 MW cada e trs unidades com turbinas a vapor com 9,4 MW cada, operando nas condies de 90 kgf/cm de presso e 485 C de temperatura; alm de uma unidade de cogerao instalada na COPENE, em Camaari (BA), contendo uma turbina de 35 MW e uma caldeira de recuperao de 100 t/h (124 bar, 538o C), a qual possui queima suplementar de combustvel. Todavia, baseado na experincia internacional com o ciclo combinado, pode-se tecer algumas importantes consideraes, a saber: O uso da queima suplementar de combustvel teve a sua maior incidncia nas primeiras unidades que foram instaladas, motivado pelas baixas temperaturas dos gases das primeiras turbinas a gs; O combustvel utilizado na grande maioria das usinas hoje em operao o gs natural, seguido pelo leo leve e pelo leo pesado, em alguns casos; As caldeiras de recuperao com dois nveis de presso so as mais utilizadas;A configurao mais comum aquela que contm duas turbinas a gs conjugadas a uma turbina a vapor; 46
  • 47. Na configurao acima, o mais usual a combinao de uma caldeira de recuperao de calor com uma turbina a gs. Apresentam-se a seguir algumas unidades de maior eficincia em operao, nas mais variadas capacidades, operando com gs natural e cujos critrios de projeto tm correlao com as configuraes que foram estudadas. Local Incio da Operao 47 Comercial Capacidade (MW) Eficincia (%) Nigashi Nigata (Japo) 1985 1090 48,3 Futsu (Japo) 1988 2000 47,0 Ambarli (Turquia) 1990 1350 51,4 Roosecote (Inglaterra) 1991 224 49,1 Rayong (Tailndia) 1994 310 47,8 Eemshaven (Holanda) 1996 1675 54,9 Didcot (Reino Unido) 1997 686 56,2 Rheinhafen (Alemanha) 1998 360 58 Rocksavage (Reino Unido) 1998 720 58 Taranaki (Nova Zelandia) 1998 360 58 Poryong (Corea do Sul) 1998 2000 59 Tapada Outeiro (Portugal) 1999 90 55,4 St. Francis (EUA) 1999 250 58
  • 48. 48 Configurao Convencional A configurao convencional para a gerao termeltrica em ciclo combinado, a mais usual, aquela onde so combinados 3 (trs) geradores sncronos com potncias equivalentes, sendo 2 deles acionados com turbinas a gs e um com turbina a vapor. Esta configurao tem como principal vantagem uma maior flexibilidade operacional, alm de permitir, ao longo do tempo, um fator de utilizao mais elevado.
  • 49. 49 Configurao Simples A configurao simples para a gerao termeltrica em ciclo combinado a que combina uma turbina a gs com uma turbina a vapor, sendo os geradores eltricos independentes, sincronizados em paralelo num mesmo barramento. Tem a vantagem de um menor investimento de capital, se comparado configurao convencional. Possui, todavia, pouca flexibilidade operacional, alm de um fator de utilizao, ao longo do tempo, tambm menor.
  • 50. 50 Configurao Mono Eixo Esta configurao apresenta uma turbina a gs para uma turbina a vapor, tendo, porm, como principal caracterstica, a unio dessas duas mquinas a um mesmo gerador, formando um conjunto rotativo desses equipamentos atravs de um nico eixo. Cumpre salientar a ocorrncia de estudos consistentes, feitos por empresas de grande conceito no setor de energia, envolvendo unidades termeltricas operando em ciclo combinado na configurao compacta, com potncias acima de 250 MW. Esses estudos sintetizam as seguintes principais vantagens para a Configurao Compacta de gerao termeltrica: a) Baixo custo de investimento, tendo em vista a simplificao dos equipamentos principais envolvidos, visto este esquema possuir apenas um gerador, uma caldeira de recuperao e um turbo-compressor a gs; embora com potncias e capacidades bem superiores. O sistema de regulagem e de distribuio de energia eltrica tambm seria nico, com cubculos e painis unitrios. Observa-se ainda a no existncia de vlvulas de desvio e dutos de gases para a atmosfera; b) Menor custo de gerao, motivado principalmente pela reduo dos custos de operao e manuteno. Todavia, convm enfatizar as seguintes desvantagens da configurao compacta de gerao termeltric