seminário do grupo de escoamento multifásico abril 2013 · • analisar exergética e...

Seminário do grupo de Seminário do grupo de

escoamento multifásico

Abril 2013

1

Apresentação •Carlos Marlon Silva Santos

•Email: carlosmarlon@hotmail.com carlosmarlon@sc.usp.br

•Fone :16 8251-7735

•2002- Graduação Engenharia Mecânica - UFBA•2002- Graduação Engenharia Mecânica - UFBA

•2005 - Especialização em Engenharia de Gás Natural

•2005- Mestrado Engenharia Mecânica -UFPB- Na análise Exergética eTermoeconômica de Unidade de Cogeração com Sistema de Refrigeraçãopor Absorção Água - Amônia, usando Gás Natural – Março -2005

•2012- Engenheiro de Processo e Controle da Qualidade SR -Xerox Com. e

Ind. Ltda. 2005- 2012

2

ANÁLISE EXERGÉTICA E TERMOECONÔMICA DE UNIDADE DECOGERAÇÃO COM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO PORABSORÇÃO ÁGUA - AMÔNIA, USANDO GÁS NATURALABSORÇÃO ÁGUA - AMÔNIA, USANDO GÁS NATURAL

Carlos Marlon Silva SantosCarlos Marlon Silva Santos

Orientadores :Orientadores :

ProfProf .Dr. Carlos Antônio Cabral dos Santos.Dr. Carlos Antônio Cabral dos Santos

Prof. Dr. Prof. Dr. EdnildoEdnildo Andrade Torres Andrade Torres

Estrutura da Apresentação

• Objetivo

• Modelagem

• Resultados

• Considerações Finais

4

Objetivo • Analisar exergética e Termoeconomicamente um sistema de cogeração

composto por um motor e um chiller de refrigeração por absorção.

– Fluxos de calor envolvidos no sistema - 1° lei da termodinâmica

– Irreversibilidades – 2° Lei da termodinâmica – Análise Exergética

– Custos e tarifas dos produtos – Termoeconomia

5

� Etapas

� Simular o funcionamento do motor e do sistema de refrigeração por absorção

(EES- Engineering Equation Solver);

� Analisar energética e exergeticamente a unidade (Equação da continuidade,

Balanços de energia e exergia);

� Análise termoeconômica (base exergética)

Modelagem Termodinâmica

• (Motor)

Carga % 37,64 43,86 50,11 56,33 62,61 68,83 75,09 81,28 87,59 93,81 100,00 Velocidade (operação) RPM 1204 1403 1603 1802 2003 2202 2402 2600 2802 3001 3199 Potência Wm kW 74,1 86,9 98,4 109 120,7 131,3 140,9 150 157,2 163,5 167,2

Vazão de Gás Natural (10-3) kg/s

4,74 5,61 6,373 7,274 8,036 8,763 9,317 9,941 10,56 11,36 11,60

Temperatura dos gases Temperatura dos gases exaustão

°C 583,8 602,9 619,6 630,7 656 667,6 678,8 695,4 712,5 715,1 733,5

gasesT =2,372.carga + 499,989

6

4 4gnm 1,122x10 .carga 7,842x10− −= +

mW =1,530.(carga) + 21,856

ar;Real ar;Ideal

Excm m . 1

100 = +

gases;Real ar;Real gnm m m= +

Fonte: Leon Heimer

Modelagem Termodinâmica

• Unidade de refrigeração por absorção

– Ciclo GAX

RetificadorCondensador

191

2 10

11Qc

1615

717

AbsorvedorEvaporador

Trocadorde Calor

Gerador

Resfriador

Motor21

20

2

46

18

7

8

9

10

1213

Wbomba

Qresf

3

5

14

Qgerad

or

Simulador• Desenvolvido no EES – Software que fornece as propriedades

termodinâmicas • Dados de entrada

– Composição do gás natural;– Excesso da ar da combustão;– Temperatura de referencia;– Pressão de referência;– Carga de operação do motor;– Carga de operação do motor;– Temperatura de evaporação; – Concentração de vapor de refrigerante;– Largura do processo;– Variação de pressão na válvula intermediária;– Eficiência do tocador de calor de solução;– Temperatura de entrada de água gelada;– Temperatura de saída de água gelada;– Eficiência da bomba de solução;

8

Simulador

• Dados de entrada para avaliação termoeconômica

– Taxa de juros

– Tempo de retorno do investimento, em anos

– Investimento Chiller– Investimento Chiller

– Investimento Motor

– Tarifa cobrada pela companhia de água R$/m3

– Tarifa cobrada pela companhia de gás R$/m3

– Taxa de rateio do sistema de refrigeração

9

Resultados• Fluxos de Calor do sistema de refrigeração por absorção (1° lei da

termodinâmica)

Fluxo de calor – (kW)

152 152,2

140

160

10

29,11

89,89 87,45

7,58

0

20

40

60

80

100

120

140

Gerador SCA Evaporador Condensador Resfriador aar

Retificador

Resultados• Irreversibilidade do sistema de refrigeração por absorção (2° lei da

termodinâmica)

75% carga

54,15%

50,00%

60,00%

14,76%11,92%

9,61%5,90%

2,66% 0,94% 0,06%0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

Gerado

r

Retifica

dor

SCAResfr

iador

a ar

Evapo

rado

rCon

dens

ador

Valvul

asTroc

ador

de c

alor

11

Resultados • Energia

Motor 36,15%

33,63% Gases 30,22 % EECombustível

100 % 69,78%

Cogeração 19,67% Água gelada

30,22 % EECombustível100 %

12

• Exergia

Motor 39,21 %31,82%

28,92 % EECombustível100 % 71,08%

Cogeração 1,17 % Água gelada

28,92 % EECombustível

100 %

Resultados

COP = 0,58

1°Lei ηmotor= 30,23 %

η = 50,12 %ηcoger= 50,12 %

εRefrig= 10,07%

2°Lei εmotor= 28,92 %

εCogeração= 30,23%

13

Resultados

• Termoeconomia

Per

das

cond

ensa

dor

Per

das

Res

fria

dor

14

MotorUnidade de Refrigeração

INVESTIMENTO

Per

das

cond

ensa

dor

Per

das

Res

fria

dor

Energia Elétrica

Água Gelada

Água Gelada

Energia Elétrica

Combustível

Resultados

• Termoeconomia (Investimento)

Entrada Saída Fluxo 103 (R$/Ano ) Fluxo 103 (R$/Ano )

17 271,17 18 393,70 19 238,77 21 113,90 Unidade de 19 238,77 21 113,90 24 1,26 22 3,45

Investimento 0,745

Unidade de cogeração

23 0,89 Total 511,95 Total 511,95

15

17- Água19- Gás Natural24- E. E Bomba

18- Água Gelada21- EE Gerador22- Perda Condensador 23- Perda Refrigerador

Considerações Finais

• A análise exergética aponta:

– O processo de desorção ( separação do refrigerante da

solução) apresentou maior irreversibilidade

Responsável por 70% (Gerador 56% Retificador 14%). Responsável por 70% (Gerador 56% Retificador 14%).

– O Processo de absorção apresenta-se como o segundo

mais irreversível com 22%.

16

Considerações Finais

• A custo tarifário da energia elétrica produzida com a unidade operando a 75% da carga e 15% de excesso de ar foi de 96,16 R$/MWh.

• O custo tarifário líquido da água gelada foi de 0,90 R$/t.

• Custo de produção de energia elétrica 113.905,35 R$/anoCusto de produção de energia elétrica 113.905,35

• As tarifas dos produtos da unidade e o custo são reduzidos com o motor operando com um excesso de menor

• O motor operando com cargas elevadas conduzem a tarifas menores.

17

Atividades do Doutorado

• 2013-1- Cursando disciplinas

– Matemática para engenheiros – Prof. Dr. Paulo Greco

– Mecânica dos Fluidos – Prof. Dr. Oscar Rodrigues

• Estudar Análise teórica de um “Perfect Core-Annular Flow” (PCAF)Flow” (PCAF)

• Realizar Treinamento Wolfram Mathematica® 8

• Desenvolver modelo para PCAF: Óleo –Água duto vertical em Wolfram Mathematica® 8

18

Obrigado

19

20

21

22

23

• Back up

24

Resultados • Fatores que influenciam nos custos

– Taxa de juros

Tempo de operação (anos)

10 15 20

Taxa de juros (%) 8 10 12 8 10 12 8 10 12

Motor Motor 103R$/ano

0,75 0,81 0,88 0,39 0,44 0,49 0,25 0,29 0,33 Investimento

Chiller 103R$/ano 0,52 0,57 0,62 0,31 0,31 0,34 0,18 0,21 0,23

Água gelada (18) 103R$/ano

394,08 394,16 394,25 393,64 393,70 393,76 393,40 393,53 393,57 Produtos

Energia elétrica 103R$/ano

114,05 114,08 114,12 113,89 113,91 113,93 113,81 113,83 113,86

Tarifa Energia elétrica (R$/MWh)

95,28 95,31 95,34 95,14 95,16 95,18 95,09 95,11 95,12

25

Resultados • Fatores que influenciam nos custos - Condições de operação

130,92 133,58

380,15 386,65 393,7 401,12

470,89479,53

488,81498,53

800

1000

1200

1400

1600

91,42 94,44 97 99,25 89,99 92,81 95,16 97,2 88,77 91,44 93,65 95,55

322,07 328,26 334,45 340,63

487,87 497,74 507,61 517,47594,99 607,37 619,74 632,11

78,78 81,39 83,6 85,54

107,72 111,1 113,9 116,35

124,1 127,83 130,92 133,58

243,29 246,87 250,85 255,1

0

200

400

600

800

5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20

50 75 90

Tarifa Energia elétrica(R$/MWh) Custo Total Produtos(103R$/Ano) Custo de energia elétrica(103R$/Ano) Custo água Gelada(103R$/Ano)26

Conceitos

� Cogeração� Produção combinada de duas ou mais formas de energia a

partir de um combustível;

� A utilização do excesso de calor, recuperando-o, substitui, de forma vantajosa a combustão de outros derivados de petróleo;

�Melhoria de eficiência quando comparado aos sistemas operando isoladamente

27

� Vantagens� Economia de energia primária� Diversidade de produção energética� Diminuição dos níveis globais de poluição

� Desvantagens � Necessidade de regulamentação� Aumento da poluição local

operando isoladamente

Conceitos• Refrigeração por absorção

– Utiliza Energia Térmica como insumo energético;

– Baseia-se no princípio que vapores de alguns fluidos refrigerantes são absorvidos por outros líquidos ou soluções salinas, podendo ser separados pelo aquecimento;

– Utiliza fluidos de trabalho que agridem menos o meio ambiente;

28

– Utiliza fluidos de trabalho que agridem menos o meio ambiente;

– Pode ser aplicada nos diversos setores da economia.

• Refrigeração por absorção – Funcionamento� Geração do vapor de refrigerante

� Fluido refrigerante(Amônia)segue o circuito frigorífico passando pelo:

� Condensador

� Válvula de expansão

� Evaporador

� Solução Fraca(Baixa concentração de

29

� Solução Fraca(Baixa concentração de amônia) segue para o absorvedor, passando por um trocador de calor intermediário e por uma válvula;

� No absorvedor a solução fraca entra em contato com o vapor de refrigerante, formando a solução concentrada

� A solução Forte (SF) é bombeada para o gerador de vapor,

� A (SF) é pré-aquecida no trocador de calor

� O ciclo reinicia no gerador de vapor.

Avaliação ExergéticaDe acordo com Tsatsaronios (1993), a avaliação exergética permite

complementar a análise energética da seguinte forma:

�Oferece melhor medida para avaliação da magnitude da energia

perdida em relação à energia total fornecida sob a forma de insumo

energético

30

�Fornece uma medida da qualidade (ou do desperdício) da energia sob

ponto de vista termodinâmico;

�Fornece uma variável que possibilita definir a eficiência racional, que é

a relação entre a exergia do efeito desejado e a exergia necessária ao

processo ao sistema energético.

TermoecônomiaTsatsaronis (1993) enuncia os objetivos da termoeconômia são eles:

�Identificar a localização, magnitude e fonte das perdastermodinâmicas(perdas exergéticas, irreversibilidades ou destruiçãoexergética);

�Calcular os custos associados a exergia destruída e perdida;

31

�Calcular os custos associados a exergia destruída e perdida;

�Calcular os custos de produção para sistemas que têm mais deum produto final;

�Facilitar estudos de viabilidade e otimização na fase de projeto oumelhoria do processo de um sistema energético existente;

�Ajudar em decisões de operação de plantas existentes;

�Comparar diversas alternativas tecnológicas.

Metodologia da Pesquisa

• Modelagem Termodinâmica

– Análise Energética e Exergética

• Motor

• Unidade de refrigeração• Unidade de refrigeração

• Modelagem Termoecômica

– Teoria do custo exergético

32

Modelagem Termodinâmica

• (Motor)

Carga % 37,64 43,86 50,11 56,33 62,61 68,83 75,09 81,28 87,59 93,81 100,00 Velocidade (operação) RPM 1204 1403 1603 1802 2003 2202 2402 2600 2802 3001 3199 Potência Wm kW 74,1 86,9 98,4 109 120,7 131,3 140,9 150 157,2 163,5 167,2

Vazão de Gás Natural (10-3) kg/s

4,74 5,61 6,373 7,274 8,036 8,763 9,317 9,941 10,56 11,36 11,60

Temperatura dos gases Temperatura dos gases exaustão

°C 583,8 602,9 619,6 630,7 656 667,6 678,8 695,4 712,5 715,1 733,5

gasesT =2,372.carga + 499,989

33

4 4gnm 1,122x10 .carga 7,842x10− −= +

mW =1,530.(carga) + 21,856

ar;Real ar;Ideal

Excm m . 1

100 = +

gases;Real ar;Real gnm m m= +

Fonte: Leon Heimer

Modelagem Termodinâmica• Energia e Exergia (Gás natural)

comb gnQ m .PCI=& &

comb gnEx .m .PCI= φ& &c

H 1,01,0334 0,0183 0,0694

C N= + +φ i i

i

PCI x .PCI=∑

• Energia e Exergia(Gases de exaustão)

34

• Energia e Exergia(Gases de exaustão)

gases gases m gases 0Q m cp (T T )= −& & m i ii

cp x .cp=∑

( )gases

gfgases m g 0 0

0

TEx =m cp T -T - T ln

T

⋅ ⋅ ⋅

& &

ch chgases gases i i 0 i i

i p i p

Ex m x .ex RT x lnx= =

= +

∑ ∑&

Modelagem Termodinâmica• Determinação das eficiências

– Energéticas (1° Lei da termodinâmica)

mmotor

gn

W.100

m .PCIη = ev

g b

QEnergia útilCOP

Energia requerida Q W= =

+

m evGlobal

W Q.100

m .PCI

+η =

35

Globalgn

.100m .PCI

η =

• Determinação das eficiências

– Exegéticas ( 2° Lei da termodinâmica)

mmotor

gn

W.100

.m .PCIε =

φev

refrigg

Ex

Exε =

m evGlobal

gn

W Ex

.m .PCI

+ε =φ

Modelagem Termoeconômica

• Divisão da planta em unidades produtivas

Condensador

Gerador/

19

20

1

10

1122

36

AbsorvedorEvaporador

Trocadorde Calor

Gerador/Retificador

Resfriador

Motor21

202

4 6

18

7

8

9

1213

24

23

17

Modelagem Termoeconômica

• Balanço do custo exergético nas unidades produtivas;

• Aplicação das proposições enunciadas por Valero e Lozano;

• Teoria do custo Monetário

= +* * * *c .Ex c .Ex Z

37

Unidade Produtiva

Z (R$/s)

Insumo(R$/s)

Produtos(R$/s)

= +* * * *p p f f ic .Ex c .Ex Z

Modelagem Termoeconômica

• Termoeconomia (Investimento)

– Fator de Recuperação de capital

• Relação entre rendimento e capital investido

• Remuneração de um certo capital durante um certo período de tempo

sujeito a uma taxa de juros

38

n

n

A i(1 i)

P (1 i) 1

+= + −

i iop

(A / P)Z .F

t=

� Custo monetário pontual

Sugestões para Trabalhos Futuros

• Estudo de otimização com base termoeconômica para determinação do ponto ótimo de operação;

• Implantação da unidade e estudo de validação de dados do simulador;

• Desenvolver estudo com o aproveitamento da água de arrefecimento do motor;

• Dimensionamento dos trocadores de calor do sistema de refrigeração por absorção;

39

ConceitosEnergia vs. Exergia

Energia Exergia

É dependente de parâmetros de matéria ou fluxo energético somente e independente de parâmetros

do ambiente.

É dependente tanto de parâmetros massa, fluxo de energia e de condições ambientais.

Tem valor diferente de zeroÉ igual a zero para o estado morto ou em equilíbrio

com o meio ambiente

É governado pela 1ª lei da termodinâmica somente É governado pela 1ª lei da termodinâmica para todos

os processos

É governado pela 1ª lei da termodinâmica somente para processos reversíveis (em processos irreversíveis é destruída parcialmente ou

completamente)

É limitado pela 2ª.lei da termodinâmica para todos os processos inclusive os reversíveis

Não é limitado para processos reversíveis devido a 2ªlei da termodinâmica

É movimento ou capacidade de gerar movimento É trabalho ou a capacidade de produzir trabalho

É sempre conservada num processo, então não pode ser produzida ou destruída.

É sempre conservada para processos reversíveis, mas é sempre degradada em processos irreversíveis.

É a medida da quantidade somente É medida da quantidade e qualidade devido a entropia40