Eduardo Ferreira Ramos

Anlise do desempenho de um sistema de cogerao com uma microturbina a gs natural

Dissertao de Mestrado

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica da PUC-Rio como requisito parcial para obteno do grau de Mestre em Engenharia Mecnica.

Orientadores: Alcir de Faro Orlando Carlos Eduardo Reuther de Siqueira

Rio de Janeiro Maro de 2007

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Eduardo Ferreira Ramos

Anlise do desempenho de um sistema de cogerao com uma microturbina a gs natural

Dissertao de Mestrado

Dissertao apresentada como requisito parcial para obteno do grau de Mestre pelo Programa de Ps-graduao em Engenharia Mecnica da PUC-Rio. Aprovada pela Comisso Examinadora abaixo assinada.

Prof. Alcir de Faro Orlando Orientador

Departamento de Engenharia Mecnica PUC-Rio

Prof. Carlos Eduardo Reuther de Siqueira Co-Orientador

Universidade Catlica de Petrpolis

Prof. Jos Alberto dos Reis Parise Departamento de Engenharia Mecnica PUC-Rio

Prof. Eloi Fernndez y Fernndez Departamento de Engenharia Mecnica PUC-Rio

Prof. Washington Braga Filho Departamento de Engenharia Mecnica PUC-Rio

Prof. Jos Eugenio Leal Coordenador Setorial do

Centro Tcnico Cientfico - PUC-Rio

Rio de Janeiro, 14 de maro de 2007

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Todos os direitos reservados. proibida a reproduo total ou parcial do trabalho sem autorizao da universidade, do autor e do orientador.

Eduardo Ferreira Ramos

Graduou-se em Engenharia Mecnica pela UCP (Universidade Catlica de Petrpolis) em 2004. Tcnico em Desenho Mecnico pelo SENAI-RJ-Petrpolis, 1994. Interesse acadmico nas reas de Energia e Petrleo.

Ficha Catalogrfica

CDD: 621

Ramos, Eduardo Ferreira

Anlise do desempenho de um sistema de cogerao com uma microturbina a gs natural / Eduardo Ferreira Ramos ; orientadores: Alcir de Faro Orlando, Carlos Eduardo Reuther de Siqueira. 2007. 174 f. : il. ; 30 cm

Dissertao (Mestrado em Engenharia Mecnica)Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2007. Inclui bibliografia

1. Engenharia mecnica Teses. 2. Cogerao. 3. Microturbina. 4. Trocador de calor. 5. Efetividade. 6. Viabilidade tcnica e econmica. 7. Energia. I. Orlando, Alcir de Faro. II. Siqueira, Carlos Eduardo Reuther de. III. Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecnica. IV. Ttulo.

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A Deus, pela sabedoria e coragem concedidas.

Aos meus pais Jos (in memorian) e Maria.

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Agradecimentos

A Deus e ao grande Mestre Jesus Cristo por tudo.

minha me, a meus irmos, sobrinhas,... a todos os meus familiares.

Ao Professor Alcir, pelo ensinamento, dedicao e pacincia.

Ao Professor Carlos Reuther, pelo incentivo e ensinamento.

Aos amigos Evemero, Gustavo, Joo, Marcelo, Marlon e Edgardo por toda ajuda.

Aos meus amigos Fbio, Ranena, Andr, Jlio, Anglica, Sully, Hugo, Teresa, Raul, Shirley, Miguel, David, Jos, Joana, Carlos, Abel, Andr, Frank, Hernan, Paulo, Aldo, Henriete, Christiano, Luciano, Amanda, Fernando, Sandro, Otvio e a todos que compartilharam comigo direta e indiretamente.

Rosely, Carolina, Mrcia, aos Professores da Engenharia Mecnica.

Ao Laboratrio de Engenharia Civil, Prefeitura da PUC-Rio.

Ao Departamento de Educao Fsica, ao Professor Renato, Orlando e Elias.

minha famlia carioca: Dona Ana, Elvdio e Rmulo pela amizade, ajuda e convvio.

ANEEL e LIGHT.

CAPES e CNPq pela ajuda financeira.

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Resumo

Ramos, E. F.; Orlando, A. F.; Siqueira, C. E. R. Anlise do desempenho de um sistema de cogerao com uma microturbina a gs natural. Rio de Janeiro, 2007. 174p. Dissertao de Mestrado - Departamento de Engenharia Mecnica, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

Nesta dissertao foi feita uma simulao do desempenho de um sistema de cogerao, a partir de dados experimentais obtidos com uma microturbina a gs natural com 30 kW de potncia nominal, operada no horrio de ponta, e acoplada com uma unidade recuperadora de calor e um reservatrio trmico para fornecimento de gua quente de consumo nos chuveiros do Ginsio da PUC-Rio. Inicialmente, o desempenho do sistema de cogerao foi medido para vrias condies de operao, mostrando que a eficincia de gerao de energia eltrica inferior que o fabricante declara (16,6%). O aproveitamento da energia trmica dos gases de exausto de 29,1% para plena carga e 46,3% para 25% de carga. Nesta dissertao foi desenvolvida uma metodologia para calcular a efetividade da unidade recuperadora de calor. A simulao realizada teve como objetivos o melhor conhecimento do comportamento do sistema de cogerao para diferentes vazes de gua de consumo e da sua temperatura de armazenamento determinando-se o maior valor da vazo para que uma temperatura de 40C nos chuveiros fosse mantida. A equao da energia em relao ao tempo foi resolvida numericamente, modelando-se o desempenho de cada componente, para estimar a temperatura da gua do reservatrio de armazenamento em funo do tempo, para diferentes cargas eltrica e trmica. Os resultados indicaram as condies para o melhor aproveitamento de energia trmica e sua viabilidade econmica, inclusive quanto relao entre o horrio de gerao e o consumo da energia trmica armazenada.

Palavras-chave

Cogerao; microturbina; trocador de calor; efetividade; viabilidade tcnica e econmica; energia.

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Abstract

Ramos, E. F.; Orlando, A. F.; Siqueira, C. E. R. Performance analysis of a gas fired microturbine based cogeneration system. Rio de Janeiro, 2007. 174p. Dissertation (M.Sc.) Departamento de Engenharia Mecnica, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

In this dissertation the performance of a cogeneration system was simulated using data obtained in tests of a natural gas fired 30 kW microturbine, operated during peak hours, and coupled to a heat recovery unit to generate hot water to be consumed in the showers of the PUC-Rio Gymnasium, together with a thermal reservoir to match the demand. Initially, the performance of the cogeneration system was measured at different operating conditions, showing that the electric energy generation efficiency is smaller than what is declared by the manufacturer (16,6%). The heat recovery from the exhaust gases was measured as 29,1% for full load operation and 46,3% for 25% load operation. In this dissertation a methodology was developed for calculating the effectiveness of the heat recovery unit. The performance simulation was aimed to better understand the behaviour of the cogeneration system for different water consumption rates and its storage temperature, determining the maximum allowed value so that the shower water temperature be at least 40C. The timewise energy equation was numerically solved, using the modelled performance of each component, to estimate the storage reservoir water temperature as a function of time, for different electric and thermal energy loads. The results indicated the conditions for better thermal energy usage and its economic feasibility, including the relationship between generation hours and the stored thermal energy consumption.

Keywords

Cogeneration; microturbine; heat exchanger; effectiveness; technical and economic feasiability ; energy.

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Sumrio

Lista de Figuras 12 Lista de Tabelas 14 Abreviaturas e Siglas 15 Lista de smbolos 15

1. Introduo 21 1.1 Cogerao 22 1.2 Estado da arte das tecnologias atuais em sistema de

cogerao 25

1.2.1 Sistemas baseados em motores de combusto interna 25 1.2.2 Sistemas baseados em clula de combustvel 26 1.2.3 Sistemas baseados em motor Stirling 26 1.2.4 Trigerao 27 1.3 Descrio tecnolgica 27 1.3.1 Microturbina 27 1.3.2 Unidade recuperadora de calor 28 1.3.3 Reservatrio trmico (Boiler) 29 1.4 Anlise do problema 29 1.5 Objetivo 30 1.6 Estrutura da dissertao 31

2. Fundamentos Tericos 32 2.1 Anlise do sistema de cogerao 32 2.2 Turbina a gs 32 2.3 Ciclo Brayton 34 2.4 Ciclo simples de turbina a gs regenerativo 36 2.5 Temperatura adiabtica da chama 38 2.6 Processo de combusto 38 2.6.1 Mistura de gases perfeitos 39 2.6.2 Ar terico e Relao ar-combustvel 39 2.7 Compressor 40 2.7.1 Anlise termodinmica do compressor 41 2.8 Cmara de combusto 43

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2.9 Turbina 44 2.9.1 Anlise termodinmica da turbina 45 2.10 Anlise da microturbina 47 2.11 Anlise do trocador de calor 48 2.11.1 Anlise pela Diferena da temperatura mdia logartmica

(DTML) 49

2.11.2 Anlise pelo mtodo -NUT 49 2.12 Anlise global do sistema 51 2.12.1 Fundamentos da cogerao 51 2.12.2 Heat rate 52 2.13 Anlise de incertezas 53 2.14 Mtodo numrico Mtodo de Runge-Kutta 53

3. Procedimento experimental 54 3.1 Descrio do teste 54 3.2 Medio dos parmetros de energia eltrica 58 3.3 Medio de vazo Gs natural e gua de circulao 58 3.4 Medio de vazo gua de consumo 61 3.5 Medio de vazo Ar (gases) na URC 62 3.6 Medio de temperatura 63 3.7 Medio de presso 66 3.8 Medio de emisso dos gases 67 3.9 Medio do fluxo de massa de ar e razo ar/combustvel 68 3.10 Sistema de aquisio de dados 69

4. Metodologia de teste 71 4.1 Anlise da Viabilidade Econmica 71 4.2 Anlise de desempenho do sistema de cogerao 72 4.2.1 Anlise de desempenho da produo de energia eltrica 72 4.2.1.1 Desempenho da produo de energia eltrica 73 4.2.1.2 Produo de potncia eltrica 74 4.2.1.3 Produo de calor de entrada heat input (HI) 74 4.2.1.4 Eficincia eltrica 75 4.2.1.5 Desempenho da qualidade da energia eltrica 75 4.2.1.5.1 Freqncia eltrica de sada 76 4.2.1.5.2 Tenso eltrica de sada 77 4.2.1.6 Taxa de calor recuperado 77

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4.2.1.7 Eficincia trmica 78 4.2.1.8 Taxa de calor disponvel da microturbina 79 4.2.1.9 Taxa de calor utilizado na URC 80 4.3 Taxa de emisso de gases 80 4.4 Balano da combusto 81 4.5 Determinao do PCI do gs natural 81 4.6 Anlise da Unidade recuperadora de calor 82 4.6.1 Determinao da efetividade da URC 82 4.6.2 Razo ar-combustvel (AC) da microturbina 82 4.6.3 Rampa de aquecimento do sistema de cogerao 83 4.7 Anlise de incertezas 83 4.7.1 Incerteza na Potncia Eltrica (UP) 84 4.7.2 Incerteza na Energia do combustvel (UQforn) 85 4.7.3 Incerteza no PCI do GN (UPCI) 86 4.7.4 Incerteza na eficincia eltrica (Uel) 86 4.7.5 Incerteza na freqncia eltrica (UF) 86 4.7.6 Incerteza na tenso eltrica (UV) 87 4.7.7 Incerteza na taxa de recuperao de calor ( QrecU ) 87 4.7.8 Incerteza na eficincia trmica (Uterm) 88 4.7.9 Incerteza na taxa de calor disponvel da microturbina( QdispU ) 89 4.7.10 Incerteza na taxa de calor utilizado na URC ( QutilU ) 90 4.7.11 Incerteza da efetividade da URC (U ) 90

5. Simulao do sistema de cogerao 93 5.1 Simulao do sistema de cogerao sem consumo mode-

lo 1 94

5.2 Simulao do sistema de cogerao com consumo mode-lo 2

95

6. Resultados 99 6.1 Avaliao dos resultados 99 6.2 Desempenho da produo de Potncia eltrica e Taxa de

calor 100

6.2.1 Teste de cargas parciais controlado 100 6.2.2 Desempenho da microturbina com carga de 100% (28 kW) 107 6.2.3 Desempenho da qualidade da energia eltrica 109 6.2.3.1 Desempenho da freqncia eltrica 109 6.2.3.2 Desempenho da tenso eltrica 110

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6.2.3.3 Desempenho da Partida a frio da microturbina 111 6.2.4 Desempenho do sistema de cogerao teste livre 112 6.2.5 Validao da simulao numrica 120 6.2.6 Simulao do desempenho da cogerao como funo do

consumo 122

6.2.6.1 Simulao do desempenho da cogerao 1 Caso 124 6.2.6.2 Simulao do desempenho da cogerao 2 Caso 125 6.2.7 Anlise da viabilidade do uso da cogerao 127

7. Concluses 135

Referncias Bibliogrficas 137

Apndice 1 Anlise da Viabilidade Econmica da cogerao no horrio de ponta - 2004

141

Apndice 2 Isomtrico do Sistema de Cogerao PUC-Rio 143 Apndice 3 Curva do Sistema 144 Apndice 4 Clculo das propriedades do ar 145 Apndice 5 Clculo das propriedades da gua 146 Apndice 6 Algoritmo da simulao numrica - MatLab 148 Apndice 7 Composio e massa molecular do gs natural 151 Apndice 8 Clculo de incerteza do PCI do gs natural 152 Apndice 9 Desempenho do sistema de cogerao Teste

controlado 153

Apndice 10 Transferncia de calor - sistema de cogerao 159 Apndice 11 Grfico Tg_s x Tag_e 162 Apndice 12 Cogerao: Simulao real e numrica 163 Apndice 13 Cogerao: Simulao numrica 1 Caso 165

Anexo 1 Microturbina C30 Especificaes tcnicas 169 Anexo 2 Especificaes tcnicas: Unidade recuperadora de

calor (URC) e Reservatrio trmico (Boiler) 171

Anexo 3 Mtodo numrico Mtodo de Runge-Kutta 172 Anexo 4 Calor especfico presso constante de vrios gases

perfeitos em funo da temperatura. 173

Anexo 5 Valores de t-student para diferentes nveis de confiabilidade

174

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Lista de Figuras

Figura 1: Diagrama de um sistema de cogerao 22 Figura 2: Ciclo topping 23 Figura 3: Ciclo bottoming 24 Figura 4: Diagrama Ciclo Combinado - Turbina a gs e a vapor 25 Figura 5: Detalhe da Microturbina C30 Capstone 27 Figura 6: Diagrama de uma Turbina a gs de ciclo simples 33 Figura 7: Diagramas Presso vs Volume e

Temperatura vs Entropia 34

Figura 8: Ciclo aberto e ciclo fechado Turbina a gs 35 Figura 9: Eficincia vs Trabalho especfico da Turbina a gs 35 Figura 10: Diagrama T x s Ciclo real 36 Figura 11: Ciclo regenerativo da turbina a gs 37 Figura 12: Variao da razo de presso de um compressor

centrfugo 43

Figura 13: Variao da eficincia isentrpica de um compressor centrfugo

43

Figura 14: Famlia de curvas de performance da turbina 46 Figura 15: Conjunto compressor/turbina

Microturbina Capstone 47

Figura 16: Diagrama esquemtico de uma microturbina a gs 48 Figura 17: Ciclo de Carnot 51 Figura 18: Ginsio de esportes PUC-Rio 54 Figura 19: Sistema de cogerao com microturbina a gs natural 55 Figura 20: Diagrama do sistema de cogerao 56 Figura 21: Sistema de cogerao - chuveiro 56 Figura 22: Esquema da instrumentao do sistema de cogerao 57 Figura 23: Software CRMS e Interface RS-232 58 Figura 24: Curva de calibrao do SVTG 59 Figura 25: Instrumentao vazo, temperatura e presso do gs

natural 60

Figura 26: Curva de calibrao do SVTL 60 Figura 27: Instrumentao vazo e temperatura da gua 61 Figura 28: Instrumentao - volume - consumo de gua quente 62 Figura 29: Bocal e duto de extenso para o escoamento

Gases da exausto 62

Figura 30: Sonda (Pitot) - velocidade do gs 63 Figura 31: Instrumentao temperatura dos gases de exausto 64 Figura 32: Multmetro digital porttil 65

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Figura 33: Curva de calibrao do Transdutor de presso 66 Figura 34: Analisador de gs testo 350 X/ML 67 Figura 35: Multmetro digital multicanal 69 Figura 36: Esquema de ligao dos sensores - Sistema de aquisi-

o de dados 70

Figura 37: Diagrama do sistema de cogerao simulao 94 Figura 38: Diagrama do consumo de gua quente simulao 96 Figura 39: Diagrama modelo para as perdas de calor no sistema

(UA efetivo) 97

Figura 40: Potncia eltrica e Taxa de calor recuperado - Teste controlado

104

Figura 41: Eficincias eltrica, trmica e total - Teste controlado 105 Figura 42: Perfis de temperatura dos gases de exausto e da gua

Teste controlado 106

Figura 43: Potncia eltrica vs Temperatura Ambiente 107 Figura 44: Eficincia eltrica vs Temperatura Ambiente 108 Figura 45: Desempenho da freqncia eltrica 109 Figura 46: Desempenho da tenso eltrica 110 Figura 47: Desempenho da partida a frio da microturbina C30 111 Figura 48: Perfil da Temperatura de entrada e sada da gua e

Efetividade na URC - Teste 28 kW 112

Figura 49: UA efetivo vs tempo Teste 28 kW 114 Figura 50: Perfil das Taxas de calor na cogerao Teste 28 kW 115 Figura 51: Perfil da Temperatura de entrada e sada da gua e

Efetividade na URC - Teste 21 kW 116

Figura 52: Perfil das Taxas de calor na cogerao Teste 21 kW 116 Figura 53: Perfil da Temperatura de entrada e sada da gua

e Efetividade na URC - Teste 14 kW 117

Figura 54: Perfil das Taxas de calor na cogerao Teste 14 kW 118 Figura 55: Perfil da Temperatura de entrada e sada da gua e

Efetividade na URC - Teste 7 kW 118

Figura 56: Perfil das Taxas de calor na cogerao Teste 7 kW 119 Figura 57: Simulao numrica Teste 28 kW

Temperatura da gua vs Tempo 122

Figura 58: Simulao numrica 1Funo do consumo Temperatu-ra da gua / Fluxo de massa / Taxa de Calor vs Tempo

123

Figura 59: Simulao numrica 2Funo do consumo Temperatu-ra da gua / Fluxo de massa / Taxa de Calor vs Tempo

123

Figura 60: Cogerao simulao 1 Caso Temperatura da gua vs Tempo

124

Figura 61: Cogerao simulao 1 Caso Temperatura da gua / Fluxo de massa / Taxa de Calor vs Tempo

125

Figura 62: Cogerao simulao 2 Caso Temperatura da gua vs Tempo

126

Figura 63: Cogerao simulao 2 Caso Temperatura da gua / Fluxo de massa / Taxa de Calor vs Tempo

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Lista de Tabelas

Tabela 1: Condio Padro ISO 2314: 1989 33 Tabela 2: Especificao dos sensores internos da microturbina

C30 58

Tabela 3: Caractersticas do medidor de vazo tipo turbina - Gs 59 Tabela 4: Caractersticas do medidor de vazo tipo turbina

Lquido 60

Tabela 5: Caractersticas do hidrmetro e cronmetro 61 Tabela 6: Caractersticas da sonda (Pitot) e paqumetro 63 Tabela 7: Coeficientes da Equao de Callendar Van Dusen 64 Tabela 8: Caractersticas dos sensores de temperatura 65 Tabela 9: Caractersticas do Multmetro digital Temperatura 65 Tabela 10: Caractersticas do transdutor de presso 66 Tabela 11: Caractersticas do analisador de gs 68 Tabela 12: Caractersticas do Multmetro digital multicanal 69 Tabela 13: Resumo do Sistema de aquisio 69 Tabela 14: Limites de aceitao para os parmetros operacionais 73 Tabela 15: Divisores para distribuio de probabilidade - (95,45%

de nvel de confiana) 84

Tabela 16: Tabela de incertezas dos instrumentos 91 Tabela 17: Cronograma de teste Cargas individuais 99 Tabela 18: Parmetros da cogerao 99 Tabela 19: Composio e propriedades do gs natural 101 Tabela 20: Variabilidade dos parmetros operacionais 102 Tabela 21: Desempenho do sistema de cogerao Produo de

energia eltrica e calor 103

Tabela 22: Tabela comparativa de parmetros Microturbina C30 108 Tabela 23: Parmetros da freqncia eltrica Microturbina C30 110 Tabela 24: Parmetros da tenso eltrica Microturbina C30 111 Tabela 25: Parmetros UA1 e

_perdas circQ 120 Tabela 26: Parmetros para simulao numrica 120 Tabela 27: Resumo das tarifas: ANEEL / LIGHT 127 Tabela 28: Resumo das tarifas: CEG 127 Tabela 29: Estudo de Viabilidade Econmica 1 Caso 129 Tabela 30: Estudo de Viabilidade Econmica 2 Caso 131 Tabela 31: Tabela 31 Tabela comparativa - Percentual de energia

trmica 133

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Abreviaturas e Siglas

AC Corrente Alternada ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-

Conditioning Engineers ASME American Society of Mechanical Engineers CEG Companhia Distribuidora de Gs do Rio de Janeiro EPA Environmental Protection Agency ISO International Standards Organization LPT-PUC Laboratrio de Presso e Temperatura da PUC-Rio NIST National Institute of Standards and Technology MT Microturbina PUC-Rio Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro URC Unidade recuperadora de calor VDC Tenso de Corrente Contnua

Lista de Smbolos

A rea, m2 A Coeficiente de ajuste PT-100, C-1 AC Razo ar-combustvel B Coeficiente de ajuste PT-100, C-2 c Calor especfico, kJ/kg K, kJ/kmol K C Taxa de Capacidade trmica, kJ/s K COG Cogerao D Dimetro, m F Freqncia eltrica, Hz g Acelerao da gravidade, m/s2 Gr Nmero de Grashof h Entalpia especfica, kJ/kg h Incremento de tempo, min

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h Coeficiente de transferncia de calor, W/m2 C HR Heat rate, kJ/kWh I Corrente eltrica, A k Fator de abrangncia k Razo do calor especfico a presso constante com o de volume

constante k Coeficiente de condutividade trmica, W/m C m Massa, kg m Fluxo de massa, kg/s M Massa molecular, mol n Nmero de mol N Nmero de medies Nu Nmero de Nusselt p Presso, kPa P Potncia eltrica, kW PCI Poder calorfico Inferior, kJ/Nm3

PCS Poder calorfico Superior, kJ/Nm3 ppmvd Partes por milho por volume seco Pr Nmero de Prandtl Q Calor, kJ Q Taxa de Calor, kJ/s r Raio, m R Resistncia eltrica, (Ohms) R Constante para gs, kJ/kg K R Resistncia trmica, C/W Ra Nmero de Rayleight Re Nmero de Reynolds rpm Rotaes por minuto s Desvio padro s Entropia especfica, kJ/kg K t Tempo, s T Temperatura, C, K THC Total de Hidrocarbonetos u Incerteza padro u Incerteza padro combinada

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U Incerteza expandida U Energia interna, kJ U Coeficiente global de transferncia de calor, W/m2 C V Tenso eltrica, V V Velocidade, m/s Vazo, m3/s x Frao em massa, % W Trabalho, kJ W Potncia, kJ/s y Frao molar, % Z Fator de compressibilidade (gs)

Smbolos em Letras Gregas

Coeficiente de dilatao trmica, K-1 Massa especfica, kg/m3

Eficincia, % h Variao de entalpia, kJ/kg T Variao de temperatura, C Efetividade, % Incerteza Espessura, m Nmero de graus de liberdade Viscosidade absoluta, kg/ m.s Volume especfico, m3/kg Coeficiente estequiomtrico Viscosidade cinemtica, m2/s

Subscritos

0 Inicial a Real

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ao Ao inoxidvel material ag gua amb Ambiente ar Ar c Combustvel cm Cmara cil Cilndrico cobr Cobre material comb Combusto comp Compressor cons Consumo disp Disponvel dp Desvio padro e Entrada el Eltrica

ef Efetivo eq Equivalente Ex Exausto f Frio f gua fria f Pelcula forn Fornecido g Gases GN Gs natural i Componente i ind Individual inf Infinito isol Isolante trmico lat Lateral lm Mdia logartmica m Mdia m Medidor max Mximo med Medido min Mnimo

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O2 Oxignio p Presso constante pd Padro q Quente q gua quente rec Recuperado reg Regenerador res Reservatrio s Sada s Isentrpico sist Sistema s/cog Sem cogerao T Temperatura term Trmica

tot Total turb Turbina util Utilizado v Volume constante VC Volume de controle w Parede Infinito

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Um projeto na mente gua profunda, mas quem inteligente tira-o do fundo.

Provrbios 20,5

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1 Introduo

Perante aos diversos avanos e aprimoramentos tecnolgicos e das perspectivas em relao ao setor energtico, os sistemas de cogerao vm ganhando uma ateno especial nos diferentes setores econmicos.

Respondendo de forma significativa s estratgias econmicas e operacionais, os novos sistemas de cogerao tm se tornado tambm um aliado importante para a reduo e preveno do aquecimento global, hoje seriamente discutido e analisado.

Alm do propsito de atender a crescente demanda de energia e diminuir as emisses e poluio associada com o uso da energia, o uso da cogerao fortemente recomendado quando existem novas zonas industriais a serem desenvolvidas e incidncia do alto custo da energia eltrica [1].

De acordo com dAccadia [2], a cogerao mundialmente considerada como a principal opo para obter uma considervel economia de energia. Nos pases asiticos, ultimamente, tem-se notado grandes investimentos na rea da cogerao em diferentes ramos da indstria e comrcio. Em pases europeus tem-se observado tambm um potencial crescimento no uso de sistemas de microcogerao no setor residencial.

Segundo Onovwiona [3], h uma grande disponibilidade de sistemas de cogerao e de equipamentos adequados para aplicaes residenciais e comerciais de pequeno porte. Recentemente pode-se destacar dentre as tecnologias desenvolvidas para o uso em cogerao os seguintes sistemas: i) motor de combusto interna; ii) microturbinas; iii) clula de combustvel e iv) motor Stirling.

Das diferentes aplicaes que estes sistemas podem estar associados com a cogerao, conhecida tambm como Combined Heat and Power - CHP, pode-se citar algumas finalidades como: gerao para stand-by, i.e., energia eltrica para sistema de emergncia, gerao de energia complementar durante perodos de alta demanda (hora de pico) e gerao bsica.

Novos estudos tambm vm sendo realizados em relao ao uso do gs natural no setor energtico do Brasil, de forma a contribuir para a gerao distribuda e evitar a sobrecarga nas plantas e redes de transmisso de energia eltrica [4].

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A gerao distribuda se refere a um equipamento que gera potncia eltrica, normalmente variando de 5 a 1000 kW, fornecendo energia eltrica para um local mais prximo dos clientes do que uma estao central de gerao [5].

Como mencionado anteriormente, com o surgimento de novas tecnologias abre-se um novo nicho a ser explorado por diferentes segmentos. Um exemplo disto pode ser visto no crescente emprego de microturbinas a gs natural como fonte de gerao de energia distribuda, o que vem sendo alvo de estudo, principalmente das concessionrias de energia eltrica [5, 6]. Uma outra grande vantagem no uso da microturbina a sua baixa emisso de poluentes.

Espera-se tambm que o Brasil, em mdio prazo, venha a se beneficiar com o uso de sistemas de cogerao de pequeno porte voltados para uso domstico e para pequenos empreendimentos.

Portanto, diante destes acontecimentos, o presente trabalho se prope a realizar uma anlise do desempenho do sistema de cogerao, onde a unidade de teste est instalada no Ginsio de esportes da PUC-Rio. O sistema de cogerao consta de uma microturbina a gs natural de 30 kW para a gerao de energia eltrica, uma unidade recuperadora de calor e um reservatrio trmico que fornecer gua quente para consumo nos chuveiros do Ginsio.

1.1 Cogerao

a produo simultnea e de forma seqenciada, de duas formas de energia a partir de um nico combustvel conforme mostrado no diagrama da Fig. 1. O processo mais comum a produo de energia eltrica e energia trmica (calor ou frio) a partir do uso de combustveis como gs natural, biomassa, leo diesel, entre outros.

COMBUSTVEL

SISTEMA DE

COGERAO

POTNCIA ELTRICA

ENERGIA TRMICA TIL CALOR

REJEITADO

Figura 1 Diagrama de um sistema de cogerao

Considera-se como parte principal de uma instalao de cogerao as mquinas que produzem a energia eltrica e a energia trmica. Pode-se citar dentre muitos, os principais equipamentos que compem esses sistemas:

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Turbina a Gs (ciclo Brayton); Turbina a Vapor (ciclo Rankine); Motores a combusto (ciclo Otto ou Diesel); Caldeiras que produzem vapor para as turbinas a vapor; Caldeiras de recuperao e trocadores de calor; Microturbinas; Geradores eltricos, transformadores e equipamentos eltricos

associados; Sistemas de chillers de absoro, que utilizam calor (vapor ou gua

quente) para produo de frio (ar condicionado); Sistemas de ciclo combinado (turbinas a vapor e gs natural) numa

mesma central; Equipamentos e sistemas de controle de gerao de energia. As plantas de cogerao podem ser classificadas de acordo com sua

seqncia trmica da produo da potncia eltrica e da energia trmica, da qual relaciona o tipo dos processos industriais, portanto as plantas de cogerao se classificam da seguinte maneira:

a) Ciclo topping: a energia do combustvel (primria) usada primeiro para produzir potncia, sendo o calor dos gases de exausto utilizado na gerao de energia trmica til, Fig. 2. Estes ciclos so os mais encontrados nas plantas de cogerao [7, 8], naturalmente se tornando um ciclo mais efetivo e economicamente atrativo para a cogerao [9].

Figura 2 Ciclo topping

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b) Ciclo bottoming: so sistemas cuja energia trmica primria do combustvel inicialmente cedida ao processo consumidor de calor e o rejeito empregado na gerao de potncia [8], Fig. 3. Estes ciclos geralmente so mais utilizados onde existe uma grande necessidade de calor a alta temperatura para o processo [9].

Figura 3 Ciclo bottoming

Segundo Val [7], os sistemas de cogerao em relao ao dimensionamento da produo da potncia e da energia trmica ainda podem se classificar em:

a) Sistemas Power-Matched: nesta modalidade, a produo combinada do sistema visa a atender a demanda eltrica da planta, e a produo trmica resultante o subproduto;

b) Sistemas Heat-Matched: nesta modalidade, a produo combinada dimensionada para satisfazer a demanda trmica, e produo eltrica o subproduto.

Dentre os sistemas de cogerao mais difundidos est o de Ciclo Combinado, diagrama na Fig. 4, que favorecido tambm pela evoluo tecnolgica dos sistemas energticos foi baseado na agregao de dois sistemas isolados num s sistema, permitindo assim aumentar a eficincia global da cogerao. Este tipo de cogerao predominantemente utilizado em situaes em que se deseja produzir energia eltrica e trmica teis em quantidades variveis, de acordo com as cargas consumidoras, ou para atender condies especficas.

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Figura 4 - Diagrama Ciclo Combinado - Turbina a gs e a vapor

Segundo Marlon [8], a escolha adequada de um sistema de cogerao requer uma avaliao de um grande nmero de fatores, podendo-se citar o seguinte:

a) Demanda eltrica mxima e mnima; b) Demanda trmica mxima e mnima; c) Mximo retorno econmico; d) Relao custo marginal/benefcio; e) Tarifa de energia eltrica, etc.

1.2 Estado da arte das tecnologias atuais em sistema de cogerao

Novas tecnologias tm despontado na rea de cogerao, em especial em sistemas de microcogerao, sistema que tem como principal alvo a cogerao em residncias e pequenas casas comerciais.

1.2.1 Sistemas baseados em motores de combusto interna

Estes sistemas so largamente empregados em pequenas e mdias unidades de cogerao com aplicaes em escolas, hotis, hospitais e indstrias

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[1, 4]. A eficincia global dos motores de combusto interna baseada em sistemas de cogerao pode alcanar uma faixa de 85 a 90%, enquanto a sua eficincia eltrica se situa entre 28 a 40% [3]. Para uso domstico a disponibilidade de um motor de combusto interna ainda muito pequena, devido essencialmente a falta de um motor de pequeno deslocamento com um sistema de refrigerao a gua e algumas caractersticas como: operao contnua, vida til, peso, etc., adequadas para a cogerao [1].

1.2.2 Sistemas baseados em clula de combustvel

A clula de combustvel, dentre as tecnologias emergentes, desponta com um grande potencial para a cogerao. Algumas das principais vantagens desta tecnologia so: baixo nvel de rudo; potencial para baixa manuteno; baixas emisses e possibilidade de alcanar uma eficincia global na ordem de 85 a 90%, mesmo para pequenas unidades [3].

Atualmente, a clula de combustvel com membrana de permuta de prton tem sido a tecnologia preferida entre os projetos de microcogerao. Este tipo de clula de combustvel opera a temperaturas acima de 90C, o que evita o problema em relao ao seu material de uso, permitindo, por exemplo, usar folha de plstico como eletrlito [1].

O desempenho das clulas de combustvel depende tanto do tipo de combustvel quanto da sua capacidade. Para as clulas de combustvel de xido slido, que operam a temperaturas entre 950 e 1000C [3], encontra-se uma eficincia eltrica de 40% [1], enquanto que a eficincia para as clulas com membrana de permuta de prton se situa um pouco mais abaixo.

1.2.3 Sistemas baseados em motor Stirling

Os motores Stirling baseados em sistemas de microcogerao tem alguns benefcios em relao ao motor de combusto interna: combusto externa contnua; alta eficincia termodinmica; reduo de rudo e longo intervalo de manuteno. Existem duas tecnologias bsicas para o motor Stirling disponvel para a microcogerao: crank-driven e pisto livre, este ltimo pode imediatamente produzir energia eltrica em AC compatvel com a rede. A sua eficincia eltrica para diferentes aplicaes varia entre 10 e 35% enquanto a sua eficincia total varia entre 70 e 90% [1].

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1.2.4 Trigerao

Conforme referenciado em [10], a trigerao pode ser definida como a produo combinada de trs formas teis de energia (eletricidade, calor e frio) a partir de uma nica fonte de energia preliminar.

Esta forma de cogerao permite ter uma maior flexibilidade operacional nos lugares em relao s demandas de energia (calor / frio) [4]. A trigerao acompanha tambm as grandes tendncias e mudanas do mundo moderno, inclusive no que diz respeito maximizao da eficincia energtica e diminuio do impacto ambiental [10].

1.3 Descrio tecnolgica

Nas sees seguintes esto apresentadas as especificaes tcnicas dos principais equipamentos referentes ao sistema de cogerao empregado no presente trabalho.

1.3.1 Microturbina

A microturbina uma pequena central eltrica que gera eletricidade a alta rotao, constituda de um compressor, turbina e um gerador. onde esto posicionados em um simples eixo e um combustor conforme ilustrao na Fig. 5. Devido ao seu tamanho compacto, a sua instalao se adequa em locais com espao limitado.

Figura 5 Detalhe da Microturbina C30 Capstone Fonte: Capstone

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O conjunto turbina/compressor aciona um gerador de im permanente que produz uma tenso variada, e uma corrente alternada de alta freqncia de 1600 Hz (nominais), em carga mxima. Assim, faz-se necessrio um retificador e um inversor de freqncia para transformar a corrente alternada de alta freqncia em corrente contnua e, em seguida, em corrente alternada na freqncia da rede de 60 Hz [11]. As principais especificaes da microturbina se encontram no Anexo 1.

Pode-se citar dentre as caractersticas das microturbinas as seguintes vantagens e desvantagens:

a) Vantagens: Alta confiabilidade devido ao pequeno nmero de partes girantes; Instalao simplificada; Baixo custo de manuteno; Tamanho compacto; Baixo peso; Nveis de rudo aceitveis; Preos competitivos quando compradas em quantidade; Baixas emisses; Alimentao com gs natural, flexibilidade para outros combustveis; Alta temperatura de exausto para recuperao de calor; Boa qualidade da energia eltrica.

b) Desvantagens: Custos; Tecnologia emergente.

1.3.2 Unidade recuperadora de calor

A unidade consiste basicamente em um trocador de calor composto por um conjunto de tubos de ao inoxidvel aletados, cujo interior circula gua enquanto que os gases de exausto da microturbina fluem entre o conjunto de tubos. A temperatura da gua controlada atravs de um dispositivo mecnico direcionador dos gases, acionado por um atuador eltrico atravs de um controlador. Neste controlador se ajusta a temperatura desejada na gua de sada, o mesmo recebe um sinal eltrico de uma termoresistncia que detecta o valor da temperatura da gua, permitindo assim, direcionar os gases admitidos

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para que faam a troca de calor ou um by pass enviando-os diretamente ao meio ambiente [12].

As principais especificaes da unidade recuperadora de calor se encontram no Anexo 2.

1.3.3 Reservatrio trmico (Boiler)

O reservatrio trmico ou boiler como mais popularmente conhecido, o componente do sistema de cogerao responsvel pelo armazenamento da gua quente. Deve possuir boas caractersticas de resistncia corroso e bom isolamento trmico, a fim de garantir o armazenamento da gua quente pelo maior tempo possvel. Os boilers encontrados no mercado geralmente so compostos por: i) tanque interno, podendo ser fabricados com materiais como cobre, ao inoxidvel ou polipropileno; ii) camada de isolante trmico (poliuretano expandido); iii) capa de proteo externa. Alguns reservatrios trmicos so dotados de uma ou mais resistncias eltricas conjugadas com um termostato, que garantem o suprimento de gua quente para uma eventual necessidade.

As principais especificaes do reservatrio trmico (boiler) se encontram no Anexo 2.

1.4 Anlise do problema

A maior parte de gerao de energia eltrica no Brasil ainda produzida pelos recursos hidrulicos, correspondendo a 95% do fornecimento de energia. O Brasil, apesar de estar provido de grande potencial hidrulico ainda inexplorado, infelizmente, sofre com a falta de investimentos neste setor, e alm do mais a viabilidade de projetos deste porte esto cada vez mais sendo condicionados a trmites de ordem regulatria, econmica e, principalmente, relacionada com as questes scio-ambientais. A tudo isto ainda pode ser somado outro agravante, que a necessidade de altos investimentos em linhas de transmisso de energia.

Com o propsito de reduzir as vulnerabilidades do sistema de fornecimento de energia eltrica e um alto custo das tarifas de energia, a implantao de

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outros sistemas de gerao de energia tem se tornado alvo entre vrios setores, destacando-se entre elas, os sistemas de cogerao, utilizando o gs natural.

Diante do crescente consumo de gs natural, o Brasil vislumbra uma promissora expanso no mercado de explorao e comercializao de gs natural, inclusive com a descoberta de recentes reservas, como a encontrada na Bacia de Santos. Juntamente com a ampliao da malha de gasodutos, em especial a construo do gasoduto Brasil-Bolvia, novos estudos e projetos se encontram em pauta no pas, sobretudo no setor de energia, um dos principais alicerces para o desenvolvimento econmico.

Atualmente um grande interesse em sistemas de cogerao vem se intensificando, sendo manifestado por empresas de diferentes setores, principalmente s do setor de fornecimento de energia eltrica. Dentre estes sistemas, a cogerao com microturbina a gs natural tem-se destacado como uma tecnologia bastante difundida e utilizada no exterior, e que diante de nossa realidade motivou este trabalho de forma a analisar o desempenho de um sistema de cogerao com uma microturbina a gs natural com capacidade nominal de 30 kW.

1.5 Objetivo

O objetivo desta dissertao teve como prioridade a anlise do desempenho de um sistema de cogerao com uma microturbina a gs natural de 30 kW, que visou um melhor conhecimento do seu funcionamento de forma a simular e avaliar situaes de uso da cogerao perante s influncias tanto no seu aspecto tcnico quanto econmico.

Inicialmente foi analisado um estudo preliminar da viabilidade econmica para o fornecimento de energia eltrica para a PUC-Rio junto com a utilizao da energia trmica liberada pela microturbina a gs, originando ento o Sistema de Cogerao, onde o fornecimento de gua quente ser destinado para o consumo nos chuveiros do Ginsio da PUC-Rio.

Na segunda etapa do trabalho, aps todas as instalaes necessrias, ter o incio dos procedimentos experimentais, onde medies dos principais parmetros sero feitas, como temperatura, presso, vazo, potncia eltrica, tenso eltrica, etc., juntamente com a obteno de dados da composio do gs natural fornecido pela concessionria local, CEG, essenciais para a anlise.

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Para a anlise deste trabalho tomou-se como referncia a metodologia desenvolvida por Assuno [13]. O estudo da cogerao ser abordado para diferentes regimes de funcionamento da microturbina (simulao experimental).

Foi desenvolvido tambm um modelo numrico utilizando a equao da energia em funo do tempo para analisar o desempenho da cogerao em diferentes condies de operao da microturbina e com diferentes vazes de consumo de gua quente. Finalmente foi realizado um estudo de viabilidade econmica focado em dois casos gerais de cogerao atravs de resultados simulados.

1.6 Estrutura da dissertao

O presente trabalho est estruturado em seis captulos da seguinte forma: Captulo I, Introduo, onde apresenta-se uma sntese da cogerao, dos

ciclos mais utilizados, do estado da arte de algumas tecnologias para cogerao, conceito e aplicao da tecnologia ao sistema de cogerao proposto, descrio do teste, e finalmente o objetivo desta anlise.

Captulo II, Fundamentos Tericos, esto apresentados os conceitos para a anlise termodinmica, da transferncia de calor do sistema de cogerao, do modelo numrico utilizado e os conceitos para a avaliao da microturbina em relao parte eltrica.

Captulo III, Procedimento experimental, apresenta-se um resumo das caractersticas dos principais instrumentos utilizados para a obteno dos parmetros e os esquemas para a medio.

Captulo IV, Metodologia de teste, define-se os mtodos aplicados e desenvolvidos assim como as incertezas especficas de cada aplicao.

Captulo V, Simulao do sistema de cogerao, descreve-se as simulaes propostas e o desenvolvimento para a modelagem do sistema de cogerao.

Captulo VI, Resultados, apresenta-se os resultados encontrados junta-mente com as anlises especficas e incertezas.

Captulo VII, Concluses, finalmente so apresentadas as concluses e algumas recomendaes.

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2 Fundamentos Tericos

2.1 Anlise do sistema de cogerao

No presente captulo apresentam-se os tpicos de importncia para a anlise termodinmica do sistema de cogerao com base na 1 e 2 Leis da Termodinmica, abordando sistematicamente conceitos dos principais componentes e seus processos. Abordaram-se tambm tpicos relacionados transferncia de calor no processo e finalmente uma descrio sucinta do mtodo numrico utilizado para a simulao da cogerao. Dentre os principais equipamentos do sistema de cogerao esto a microturbina, a unidade recuperadora de calor e o reservatrio trmico.

2.2 Turbina a gs

As turbinas a gs so utilizadas numa grande variedade de servios. Elas esto presentes em diferentes segmentos, geralmente na aviao, mas tambm so largamente encontradas em equipamentos mecnicos como bombas, compressores e geradores de energia eltrica.

Atualmente, o interesse em turbinas tem crescido significativamente em plantas de ciclo-combinado. Comparando as turbinas a vapor com as turbinas a gs, nestas pode-se observar as seguintes vantagens:

a) Possuem tamanho reduzido e so mais leves; b) Menor custo inicial por unidade; c) Tempo menor na fabricao e entrega, e instalao com maior rapidez; d) Tm o incio de operao mais rpido; e) Operam com uma maior variedade de combustveis lquidos e gasosos; f) Esto sujeitas a menores restries ambientais. As turbinas a gs se subdividem nas seguintes categorias: a) Turbinas a gs industriais; b) Turbinas a gs aero-derivativas; c) Turbinas a gs de mdia-capacidade;

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d) Turbinas a gs pequenas. Recentemente novas tecnologias tm despontado no ramo das turbinas a

gs, como o caso das microturbinas, citadas no captulo 1. A eficincia das turbinas a gs modernas tem alcanado uma mdia de

45% com uma temperatura de chama de 1400C. A limitao da eficincia das turbinas a gs , ainda hoje, influenciada pelas condies metalrgicas dos materiais que a compem assim como a relao de presso do compressor [9]. Segundo [9] para um aumento na faixa de 55C na temperatura de chama, o trabalho til e a eficincia aumentam em 10% e 1,5%, respectivamente. O princpio de funcionamento das turbinas a gs para um ciclo simples e de simples eixo conforme mostrado no diagrama da Fig. 6 processa-se com entrada de ar no compressor de escoamento axial no ponto 1 do diagrama condies ambientes.

Figura 6 Diagrama de uma Turbina a gs de ciclo simples

Como esta condio varia dia a dia e tambm de local para local, importante e conveniente considerar algumas condies padres para efeitos comparativos. As condies padres usadas para as turbinas a gs industriais mostradas na Tabela 1 foram estabelecidas pela International Standards Organization (ISO 2314 Gas Turbines Acceptance Tests: 1989) [5], estas condies tambm so usualmente conhecidas como Condies ISO.

Tabela 1 Condio Padro ISO 2314: 1989 Temperatura ambiente: 15 C

Presso ambiente: 101,325 KPa Umidade relativa: 60%

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Durante o processo de compresso a temperatura do ar na descarga do compressor geralmente se encontra em torno de 400 a 465C. Aps este estgio ocorre o processo de combusto presso constante, elevando assim a temperatura dos gases entre 1370 e 1430C. Ocorrido o processo de combusto, a mistura dos gases (produtos) deixa o sistema de combusto e entra na turbina, tambm chamada expansor a uma temperatura mdia da mistura.

Na seo da turbina, a energia dos gases quentes convertida em trabalho em dois processos. No bico de injeo na seo da turbina, os gases quentes so expandidos pelas palhetas estacionrias, e uma poro desta energia trmica com alta entalpia convertida em energia cintica a alta velocidade. Na seo subseqente da turbina as palhetas mveis convertem em trabalho uma poro da energia cintica transferida. A temperatura de descarga na turbina est em torno de 480 a 640C.

Uma parcela do trabalho desenvolvido pela turbina usada para operar o compressor, e o restante disponvel para o trabalho til na sada da turbina. Tipicamente mais de 50% do trabalho desenvolvido pela turbina usado para movimentar o compressor [14].

2.3 Ciclo Brayton

Considera-se o ciclo Brayton como ciclo ideal que governa o comportamento das turbinas a gs. A Fig. 7 mostra os diagramas presso-volume (P) e temperatura-entropia (Ts) para o ciclo Brayton que utiliza compresso e expanso isentrpicas, observa-se tambm o caminho de um ciclo real representado pelos pontos 1,2,3 e 4.

Figura 7 Diagramas Presso vs Volume e Temperatura vs Entropia

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Existem dois tipos de ciclos que as turbinas a gs podem operar: ciclo aberto e o ciclo fechado conforme ilustrados na Fig. 8.

Figura 8 Ciclo aberto e ciclo fechado Turbina a gs

O ciclo Brayton pode ser caracterizado por dois parmetros significantes que so: a relao de presso e a temperatura de chama, maior temperatura alcanada no ciclo. Contudo em um ciclo real existe uma pequena perda de presso no sistema de combusto e, portanto, a presso no comeo do processo de expanso, ponto 3 da Fig. 7, ligeiramente inferior do ponto 2. Na Fig. 9 est um exemplo ilustrativo destes dois parmetros no comportamento das turbinas a gs.

Figura 9 Eficincia vs Trabalho especfico da Turbina a gs

A eficincia trmica, Term, para o ciclo Brayton, para primeiras aproximaes, pode ser calculada usando a clssica anlise termodinmica, onde considerando constante o calor especfico a presso constante tem-se o seguinte:

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( )( )

4 1 1 4 1

3 2 2 3 2

/ 11 1 1/ 1

poutTerm

pin

c T TQ T T Tc T T T T TQ

= = =

Eq. (1)

Com o uso das relaes isentrpicas a eficincia tambm pode ser escrita da seguinte forma:

( )1 /1 1

2 2

1 1k k

TermT PT P

= = Eq. (2) Onde o coeficiente k a relao entre o calor especfico a presso

constante e o calor especfico a volume constante: (k = cp0/cv0). No comportamento do ciclo real das turbinas a gs, como mostrado no

diagrama T x s da Fig. 10, observa-se um certo afastamento em relao ao ciclo ideal, causado principalmente pelas irreversibilidades do compressor e da turbina, que deixam de ser isentrpicas, devido tambm s perdas de carga do fluido e na cmara de combusto. Usualmente estas perdas esto numa faixa de 15% [15], o que representa uma significativa reduo da eficincia das turbinas a gs.

Figura 10 Diagrama T x s Ciclo real

Uma outra importante caracterstica das turbinas a gs que limita seriamente a eficincia trmica o grande trabalho requerido para o

compressor, medido como back work ratio = . .

/comp turbW W .

2.4 Ciclo simples de turbinas a gs regenerativo

Para um ciclo simples e aberto de turbinas a gs, a transferncia de calor dos gases dos produtos da combusto ou de um trocador de calor geralmente ocorre simplesmente com uma transferncia direta (calor de rejeito) com o meio ao redor. Uma maneira de melhorar o rendimento deste ciclo a utilizao

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desta energia trmica, desde que a temperatura do fluxo que sai na turbina seja bem maior do que a temperatura do fluxo que entra no compressor. Com a introduo de um regenerador, trocador de calor de contracorrente, o calor pode ser transferido dos gases de descarga da turbina para os gases a alta presso que deixam o compressor conforme mostrado na Fig. 11.

Figura 11 Ciclo regenerativo da turbina a gs

Logo, como uma menor rejeio de calor pelo ciclo esperado que a eficincia trmica seja aumentada at um certo limite com uma grande dependncia da relao de presso e da relao das temperaturas mnima e mxima conforme visto a seguir:

( )1 /1 2

4 1

1k k

TermT PT P

= Eq. (3) Na prtica, em um regenerador real, a temperatura do ar que deixa o regenerador no estado 3, Fig. 11, um pouco menor que a temperatura do ar entrando no estado 5. Tambm a temperatura T6 maior que a temperatura T2. A eficincia do regenerador definida por:

3 2

5 2reg

h hh h

=

Eq. (4)

Assumindo um gs ideal com calor especfico constante, a eficincia do regenerador pode ser relacionada pela seguinte equao:

3 2

5 2reg

T TT T

=

Eq. (5)

Dependendo dos parmetros que operam a turbina a gs, o regenerador pode aumentar em 10% a sua eficincia. Entretanto, pela existncia de um aumento na queda da presso em ambas partes no regenerador, ou seja, nos lados do ar comprimido e da exausto da turbina, a relao de presso comprometida, o que poder reduzir a potncia de sada de 10 a 15% [9, 14].

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Os regeneradores geralmente tm um custo alto em relao sua aplicao, por isso a sua utilizao deve ser bem justificada ao equipar uma turbina a gs. Um outro aspecto importante que deve ser considerado o fato do regenerador diminuir a temperatura dos gases de exausto, reduzindo portanto a eficincia do sistema de cogerao.

2.5 Temperatura adiabtica da chama

Considera-se a temperatura adiabtica da chama a temperatura atingida pelos produtos no processo de combusto sem transferncia de calor, ou seja, adiabaticamente, sem envolver trabalho ou variaes de energia cintica ou potencial.

A mxima temperatura adiabtica da chama que pode ser atingida para um dado combustvel onde os seus reagentes esto a uma determinada presso, temperatura e estado, ocorre quando a mistura estequiomtrica. Uma maneira de se controlar a temperatura adiabtica da chama pela quantidade de excesso de ar, parmetro este muito importante principalmente para as turbinas a gs, onde a temperatura mxima admissvel determinada por condies metalrgicas. A mxima temperatura da chama est tambm diretamente limitada ao efeito da dissociao dos produtos formados.

2.6 Processo de combusto

A combusto uma reao qumica envolvendo a oxidao dos constituintes do combustvel que so oxidveis, geralmente ocorre entre o elemento constituinte, carbono e/ou hidrognio com o oxignio. Para uma anlise preliminar consideram-se como constituintes principais do produto da combusto: o dixido de carbono (CO2) e a gua (H2O). Para um estudo mais criterioso, deve-se analisar outros produtos intermedirios encontrados na combusto, por exemplo no gs natural, como os xidos de nitrognio (NOx), total de hidrocarbonetos (THC), e monxido de carbono (CO). Apesar de estarem em menores porcentagens, se tornam muito importantes para o estudo do aspecto funcional do processo, e de suas influncias no meio ambiente.

Para uma combusto completa de metano tem-se a seguinte equao:

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4 2 2 22 2CH O CO H O+ + Eq. (6)

Pelo fato do oxignio ser suprido, na maioria dos casos, pelo ar para um processo de combusto torna-se necessrio uma nova equalizao da reao qumica, onde pode-se considerar o ar como uma composio de 21% de oxignio e 79% de nitrognio, que de acordo com suas relaes do origem seguinte equao:

4 2 2 2 2 22 2(3,76) 2 7,52CH O N CO H O N+ + + + Eq. (7)

2.6.1 Mistura de gases perfeitos

Para uma mistura gasosa define-se a frao molar yi do componente i como:

ii

ny

n= Eq. (8)

Onde ni representa o nmero de moles do componente i e n o nmero total de moles na mistura.

Pode-se definir tambm a mistura gasosa pela frao em massa xi como:

ii

mx

m= Eq. (9)

Onde mi representa a massa do componente i e m a massa total da mistura.

2.6.2 Ar terico e Relao ar-combustvel

Define-se ar terico ou ar estequiomtrico como a quantidade mnima de ar que fornece o oxignio suficiente para haver a combusto completa em todos os elementos do combustvel que possam oxidar, isto significa que nos produtos de um processo de combusto no h oxignio.

Segundo [15] a equao geral para a combusto de um hidrocarboneto, que pode representar o gs natural, tem a seguinte forma:

2 2 2 22 2 2 2 2( 3,76 )x y O CO H O NC H O N CO H O N + + + + Eq. (10)

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Onde so os coeficientes estequiomtricos relativos a cada substncia e so determinados da seguinte maneira:

2: COC x = Eq. (11)

2: 2 H OH y = Eq. (12)

2 22: 3,76N ON = Eq. (13)

2 2 22: / 2 / 4O CO H OO x y = + = + Eq. (14)

Para a determinao do nmero total de kmoles de ar para um kmol de combustvel utiliza-se a seguinte equao abaixo, da qual definida como 100% do ar terico:

24,76 4,76( / 4)ar On x y= = + Eq. (15)

Sabe-se experimentalmente que a combusto completa somente alcanada com uma quantidade maior de ar em relao quantidade necessria pelo ar terico. Referente ao relacionamento entre o ar fornecido e o combustvel surge um parmetro importante para anlise do processo de combusto que a relao ar-combustvel (AC) definida pela seguinte equao abaixo:

armassa

comb

mACm

= Eq. (16)

ou em base molar:

armolar

comb

nACn

= Eq. (17)

2.7 Compressor

As turbinas a gs utilizam compressores axiais e centrfugos. Os compressores centrfugos so mais utilizados em turbinas de pequeno porte, enquanto que todas as de grande porte utilizam compressores axiais [9].

No princpio da operao de um compressor centrfugo o ar levado ao centro do olho do rotor, onde acelerado pelas palhetas devido a alta rotao do rotor e forado radialmente para fora do rotor a alta velocidade. O ar ento recebido pelo difusor, do qual converte uma parte desta energia cintica em alta presso.

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Um compressor de simples estgio consiste de um impelidor montado no rotor e um difusor montado em um estator. O aumento de presso por estgio de um compressor centrfugo varia entre 1,5:1 a 12:1 [9].

Os compressores centrfugos tm um menor eficincia em relao aos compressores axiais, mas pode-se destacar as suas principais vantagens [9]:

a) Ocupam espaos menores, pois tm dimenses mais reduzidas; b) No so vulnerveis a perder desempenho com o aumento de resduos

nas superfcies no canal de ar quando trabalham em atmosferas contaminadas;

c) So capazes de operar com eficincia sobre uma maior variao de fluxo de massa em qualquer rotao;

d) Eles so usados principalmente em pequenas unidades de potncia pelo fato das pequenas mquinas no serem capazes de manter uma maior eficincia isentrpica que os compressores axiais fornecem;

e) O material mais usado e preferido para sua construo o titnio devido sua alta resistncia a corroso.

2.7.1 Anlise termodinmica do compressor

Sabe-se que a equao de estado para um gs ideal expressa como:

PV mRT= Eq. (18)

Aplicando a 1 Lei da Termodinmica para um processo de regime permanente tem-se a seguinte equao:

2 22 1

2 1( ) 2V Vq h h w= + + Eq. (19)

Supondo o calor especfico do gs como constante e desprezando-se a sua variao da energia cintica, pode-se atravs da Eq. (19) desenvolver, para um processo adiabtico reversvel conforme visto na Fig. 10 a equao abaixo:

( )_2 1 2 1p arcomp s sw h h c T T= = Eq. (20) Onde

compw o trabalho especfico do compressor e _p arc o valor mdio

do calor especfico a presso constante do ar da temperatura mdia do intervalo.

Em anlises que exigem melhores exatides torna-se bastante til considerar a variao do calor especfico com a temperatura:

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2 1 _p arh h h c dt = = Eq. (21) Aplicando as relaes isentrpicas juntamente com a relao para o calor

especfico a presso constante, cp0,conforme descrito abaixo:

0 1pkR

ck

=

Eq. (22)

E substituindo na Eq. (20) tem-se: 1

2_ 1 1

1

11

kk

comp s compPk

w w Pk P

= =

Eq. (23)

Para um processo de compresso pode-se definir a eficincia isentrpica do compressor como:

_

_

s compcomp

a comp

w

w = Eq. (24)

Onde wa definido como o trabalho especfico real do compressor em um processo irreversvel:

( )__ 2 1 2 1p ara compw h h c T T= = Eq. (25)

E finalmente definida a eficincia do compressor como: 1

2

1

12 1

1k

k

comp

PP

TT T

=

Eq. (26)

A eficincia isentrpica dos compressores adiabticos, segundo [15], se apresenta em torno de 70 a 88%.

Na Fig. 12 est ilustrada a variao real da razo de presso sobre a completa variao do fluxo de massa ( m ) e velocidade da rotao (N) [9]. De acordo com Val [7] o termo 1/N T conhecido como velocidade aerodinmica

enquanto que o da relao 1 1/m T P conhecido como fluxo de massa

adimensional. No grfico observa-se esquerda a linha surge, linha idealizada atravs da unio da extremidade esquerda de cada curva a velocidade constante. Nas extremidades direita das curvas esto representadas os pontos onde define-se uma regio conhecida como stonewall. Segundo ainda [7] estes fenmenos, surge e stonewall, so caracterizados por grande instabilidade no escoamento do ar podendo levar ao colapso da mquina, tornando assim a sua faixa de operao bem limitada.

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Figura 12 Variao da razo de presso de Um compressor centrfugo

Em relao eficincia isentrpica, observa-se que as curvas de desempenho variando tambm com o fluxo de massa ( m ) e velocidade da rotao (N) [9], conforme mostrado na Fig. 13, se comportam de maneira bastante similar s curvas de relao de presso mostradas anteriormente, e que o valor mximo de suas eficincias se encontram com valores prximos.

Figura 13 Variao da eficincia isentrpica de um compressor centrfugo

2.8 Cmara de combusto

A cmara de combusto, tambm chamada de combustor, tem o objetivo de aumentar a temperatura dos gases a alta presso.

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Pode-se citar trs principais tipos de cmara de combusto que so: tubular, tubo-anular (conhecida tambm como can-anular) e anular.

Toda a cmara de combusto, apesar de seus diferentes projetos, tem as seguintes zonas em comum:

a) Zona de recirculao; b) Zona de queima; c) Zona de diluio. A eficincia do combustor feita atravs da medida da combusto

completa. A eficincia do combustor est relacionada com a razo do aumento da entalpia do gs e a entrada de calor terico de combustvel sendo expressa pela seguinte equao:

( ) 3 2ar c arrealcomb

terico c

m m h m hhh m PCI

+

= =

Eq. (27)

Onde comb a eficincia do combustor, arm o fluxo de massa do gs

(ar), cm o fluxo de massa do combustvel, h2 a entalpia do gs (ar) entrando no combustor, e h3 a entalpia do gs deixando o combustor e PCI o poder calorfico inferior do combustvel. A queda da presso que existe na cmara de combusto afeta o consumo de combustvel e a potncia de sada. Normalmente, de acordo com [9], a queda de presso se encontra entre 2 a 8% da presso esttica. Considera-se esta queda de presso equivalente ao decrscimo da eficincia do compressor o que resulta um aumento no consumo de combustvel e numa menor potncia de sada da mquina. Segundo [7], se o fornecimento de um combustvel gasoso estiver a baixa presso se faz necessrio a instalao de um compressor de combustvel, onde a energia necessria para o acionamento do mesmo se encontra na ordem de 4 a 5% da potncia til da turbina.

2.9 Turbina

A turbina o componente da turbina a gs onde ocorre a realizao de trabalho de eixo. As turbinas a gs podem ser de dois tipos: de fluxo axial ou de fluxo radial. Contudo, mais de 80% das turbinas a gs so de fluxo axial. De acordo com [7], as turbinas de fluxo radial tm as aplicaes limitadas em sistemas auxiliares aeronuticos e turbogeradores de pequeno porte (at 3 MW).

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As turbinas de fluxo axial podem ser do tipo de impulso ou do tipo reativas. Na turbina de impulso, a entalpia se reduz totalmente, ou seja, a energia disponvel a alta temperatura e presso convertida em energia cintica nas partes estacionrias (aletas) fazendo com que o gs entre no rotor a alta velocidade. Nas turbinas de reao, a entalpia sofre uma queda tanto nas partes estacionrias quanto nas partes girantes (palhetas).

As turbinas de fluxo radial consistem de um compressor centrfugo que tem o fluxo reverso e rotao contrria. Como dito anteriormente estas turbinas so usadas para pequenas cargas, e tem como principal caracterstica o seu tamanho, bem menor do que o das axiais.

2.9.1 Anlise termodinmica da turbina

Na anlise de uma turbina observa-se que a mesma possui uma grande proximidade em relao anlise de um processo de compresso tanto pelo fato de ambas serem modeladas com a equao de estado para um gs ideal quanto por se comportarem como adiabticas em um processo ideal.

Aplicando novamente a 1 Lei da Termodinmica ao processo de expanso em um regime permanente e supondo o calor especfico do gs como constante e desprezando-se a sua variao da energia cintica, pode-se atravs da Eq. (19) desenvolver, para um processo adiabtico reversvel conforme visto na Fig. 10 a equao abaixo:

( )_3 4 3 4p gturb s sw h h c T T= = Eq. (28) Onde turbw o trabalho especfico da turbina para um processo isentrpico

e _p gc o valor mdio do calor especfico a presso constante dos gases da

combusto da temperatura mdia do intervalo. Em anlises que exigem melhores exatides torna-se tambm bastante til

considerar a variao do calor especfico com a temperatura:

3 4 _p gh h h c dt = = Eq. (29) Para um processo de expanso pode-se definir a eficincia isentrpica da

turbina como:

_

_

a turbturb

s turb

w

w = Eq. (30)

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Onde wa_turb definido como o trabalho especfico real da turbina em um processo irreversvel:

( )_ 3 4 _ 3 4a turb p gw h h c T T= = Eq. (31)

Portanto para a definio da eficincia da turbina tem-se:

3 4

3 4turb

s

T TT T

=

Eq. (32)

Aplicando na Eq. (32) as relaes isentrpicas a eficincia da turbina pode ser novamente definida como:

3 41

34

3

1

1turb k

k

T TT P

P

=

Eq. (33)

Segundo [15] a eficincia isentrpica das turbinas se apresenta na faixa de 70 a 88%.

Na Fig. 14 ilustra-se o desempenho tpico de uma turbina representado por uma famlia de curvas para diferentes e constantes valores para a velocidade

aerodinmica 3/N T , onde observa-se a dependncia da eficincia isentrpica,

turb, e o fluxo de massa adimensional, 3 3/m T P , em funo da razo de

presso.

Figura 14 Famlia de curvas de desempenho da turbina

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2.10 Anlise da microturbina

A introduo das microturbinas no quotidiano se deve principalmente ao contnuo desenvolvimento tecnolgico das turbinas a gs durante as ltimas dcadas, o que permitiu a estas mquinas de menor porte uma capacidade de gerao de 28 at 200 kW [5].

As microturbinas a gs se adequam perfeitamente em aplicaes para gerao distribuda devido a sua flexibilidade e mtodos de conexo, onde segundo [16, 17] elas podem ser aplicadas em:

a) Gerao de energia para reserva (stand-by); b) Cogerao; c) Gerao de energia em forma isolada da rede; d) Gerao de energia conectada rede; e) Microgerao. A microturbina consiste de um compressor, combustor, turbina,

recuperador de calor e gerador eltrico. Todos os componentes, com exceo do combustor e recuperador de calor esto montados em um mesmo eixo, conforme mostrado na Fig. 5 captulo 1. O compressor e a turbina so radiais como na maioria dos turbocompressores automotivos, o que pode ser observado na Fig. 15.

Figura 15 Conjunto compressor/turbina Microturbina Capstone

Fonte: Capstone

O princpio de funcionamento das microturbinas idntico ao das turbinas a gs de maior porte. Baseado no ciclo regenerativo inicia-se com a admisso de ar pelo compressor, sendo aquecido pelo recuperador de calor antes de entrar na cmara de combusto. Os gases quentes da queima se expandem atravs da turbina, a qual move o compressor e o gerador de energia eltrica. Da energia

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contida nos gases de exausto gerada pelo processo poder ser aproveitada para gerao de energia trmica (cogerao), utilizando-se uma unidade recuperadora de calor, conforme pode ser visto no diagrama da Fig. 16 [9, 11].

1 Gerador 8 Recuperador de calor 2 Entrada de ar 9 Gases de exausto 3 Compressor de ar 10 Caldeira de recuperao 4 Ar para o recuperador 11 Sada dos gases de exausto 5 Entrada de combustvel 12 Sada de gua (quente) 6 Cmara de combusto 13 Entrada de gua (fria) 7 Turbina 14 Potncia eltrica de sada

Figura 16 - Diagrama esquemtico de uma microturbina a gs

2.11 Anlise do trocador de calor

Os trocadores de calor so equipamentos que facilitam a transferncia de calor entre dois ou mais fluidos em temperaturas diferentes.

Segundo [18] os trocadores de calor se classificam de acordo: a) Processo de transferncia; b) Compacticidade; c) Tipo de construo; d) Disposio das correntes; e) Mecanismo da transferncia de calor. Nos trocadores de calor do tipo estacionrio, a transferncia de calor do

fluido quente para o fluido frio provoca variao da temperatura de um ou de ambos os fluidos que passam atravs do trocador.

Na anlise da transferncia de calor no trocador de calor torna-se conveniente e importante o uso de um coeficiente global de transferncia de

1

2

3 7 8

5

6

9 11

12

10

13

4

14

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calor U, do qual constitudo pela combinao das resistncias trmicas que ocorrem durante o seu processo.

2.11.1 Anlise pela Diferena da temperatura mdia logartmica (DTML)

Pelo balano de energia e de acordo com a variao das temperaturas (T) dos fluidos em relao posio em um trocador de calor estabelece-se que [19]:

lmQ UAF T= Eq. (34)

Onde:

Q : taxa total de transferncia de calor; U: coeficiente global de transferncia de calor mdio; A: superfcie de transferncia de calor no trocador; F: fator de correo; Tlm: diferena da temperatura mdia logartmica definida como:

( )2 1

2 1/lm

T TTln T T

=

Eq. (35)

Para a equao acima T1 e T2 podem ser definidos para um trocador de calor de contracorrente como:

1 _ _q e f sT T T = Eq. (36)

2 _ _q s f eT T T = Eq. (37)

Onde os subscritos q e f referem-se aos fluidos quente e frio, respectivamente, e os subscritos e e s referem-se s condies das temperaturas de entrada e sada dos fluidos, respectivamente.

2.11.2 Anlise pelo Mtodo -NUT

Sob diferentes aspectos que envolvem um projeto de trocador de calor, o clculo da sua capacidade e o das suas dimenses distinguem importantes caractersticas. O clculo da capacidade tem o propsito de determinar a taxa de transferncia de calor, as temperaturas de sada do fluido e as perdas de cargas no trocador. Enquanto que o clculo das dimenses tem o interesse de

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determinar as dimenses necessrias do componente para a transferncia de calor e a da perda de carga referente ao mesmo. Para a anlise dos termos citados acima o mtodo da efetividade torna-se, de acordo com [18], eficiente e define-se a efetividade como:

max

QQ =

Eq. (38)

Onde Q a taxa real de transferncia de calor e maxQ a taxa mxima possvel de transferncia de calor de uma corrente para outra que considerada como:

( ) ( )max _ _minp q e f eQ mc T T= Eq. (39)

Para a determinao da efetividade define-se a taxa de transferncia de

calor Q da seguinte maneira:

( ) ( )_ _ _ _ _ _q p q q e q s f p f f s f eQ m c T T m c T T= = Eq. (40)

Atravs de substituies na Eq. (38) com as Eqs. (39) e (40) desenvolve-se as seguintes equaes para a efetividade:

( )( )

_ _

min _ _

q q e q s

q e f e

C T TC T T

=

Eq. (41)

( )( )

_ _

min _ _

f f s f e

q e f e

C T TC T T

=

Eq. (42)

Onde:

_q q p qC m c= Eq. (43)

_f f p fC m c= Eq. (44)

Sendo Cq e Cf as taxas das capacidades trmicas dos fluidos quente e frio, respectivamente.

E define-se minC igual ao menor entre Cq e Cf.

Em conjunto com este mtodo utiliza-se a seguinte relao definida por um parmetro adimensional conhecido como NUT (nmero de unidades de transferncia de calor) e definido como:

min

AUNUT NC

= = Eq. (45)

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2.12 Anlise global do sistema

Em um sistema de cogerao, onde existem processos distintos e que podem estar sob diferentes regimes, pode-se, atravs da Termodinmica associada com a Transferncia de Calor, analisar o comportamento do sistema. Portanto, para a anlise global do sistema utiliza-se a 1 lei da termodinmica:

2 21 12 2

VCVC e e e e s s s s VC

dEQ m h V gZ m h V gZ Wdt

+ + + = + + + + Eq. (46)

2.12.1 Fundamentos da cogerao

Na produo de potncia eltrica ou de eixo, a 2 lei da termodinmica exerce uma limitao na converso de calor em trabalho ou energia eltrica. Somente uma frao da energia trmica liberada pela combusto pode ser convertida em potncia, existindo uma estreita dependncia em relao aos seguintes fatores: i) a razo da temperatura absoluta do ambiente com a do calor fornecido ao fluido de trabalho na mquina trmica; ii) a extenso da qual o atrito e outras formas de irreversibilidades esto presentes no ciclo. Sabe-se que no ciclo de Carnot, conforme visto na Fig. 17, se encontra a forma mais eficiente de converter calor em trabalho. O mesmo princpio se aplica aos modernos sistemas de gerao de energia, com a principal diferena que estes atuam em processos irreversveis, afastando-se, portanto, da forma retangular do ciclo de Carnot. As mquinas trmicas modernas geralmente apresentam melhores eficincias trmicas, normalmente variando entre 35 a 50%.

Figura 17 Ciclo de Carnot

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Diante da oportunidade de se economizar energia, a cogerao se torna ideal para processos onde existe a necessidade tanto de energia eltrica quanto de energia trmica. Define-se a eficincia do sistema de cogerao de acordo com os seguintes conceitos a seguir:

Atravs da potncia eltrica til fornecida, P, e pelo o fluxo de massa do

combustvel, cm , define-se a seguinte relao:

cmCECP

=

Eq. (47)

Onde CEC o consumo especfico do combustvel. Para a eficincia eltrica da mquina trmica, microturbina, tem-se a

seguinte equao: 1.

elc

Pm PCI CEC PCI

= =

Eq. (48)

Onde PCI o poder calorfico inferior do combustvel. Para a eficincia trmica da cogerao primeiro determina-se a quantidade

da taxa de calor recuperado para o processo com a seguinte equao:

recQ m h= Eq. (49)

Onde rec

Q a taxa de calor recuperado, enquanto que m o fluxo de massa e h a variao da entalpia especfica do fluido de trabalho do processo, ento obtm-se a eficincia trmica do sistema atravs da equao:

rec rec

termcforn

Q Qm PCIQ = =

Eq. (50)

E finalmente a eficincia total do sistema de cogerao definida como:

rec

Totforn

P QQ+

=

Eq. (51)

2.12.2 Heat rate

Termo utilizado pelas indstrias para mensurar a eficincia trmica da planta de gerao de energia eltrica, caracterizado pela razo da energia de entrada (calor) com a energia eltrica de sada [kJ/kWh].

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fornQHRP

=

Eq. (52)

2.13 Anlise de incertezas

A anlise de incertezas se torna essencial na abordagem de qualquer experimento, principalmente na sua fase preliminar, onde mediante um planejamento prvio e uma sensibilidade crtica capacita detectar os dados mais importantes que esto envolvidos no projeto em questo [20, 21]. Em se tratando de processos de medio importante adequar a correo e as incertezas envolvidas na melhor forma possvel a fim de representar o fenmeno mais prximo do real e que atendam nveis de exigncia e ou de satisfao.

Dentre a gama de influncias que existem em diversos experimentos considera-se como as variveis mais relevantes:

i) Sistema de medio e seus eventuais acessrios; ii) Os procedimentos segundo o qual as medies so efetuadas e os

dados tratados; iii) A definio do mensurando; iv) Os princpios de medio envolvidos; v) A ao das grandezas de influncia sobre o sistema de medio

ou sobre o mensurando; vi) A ao do operador.

2.14 Mtodo numrico Mtodo de Runge-Kutta

Dentre os mtodos de aproximaes numricas de solues de equaes diferenciais, bastante utilizado na engenharia, est o mtodo de Runge-Kutta, devido principalmente a sua simplicidade, robustez e exatido dos resultados. Este mtodo tambm conhecido como mtodo clssico de Runge-Kutta de quarta-ordem em quatro estgios [22, 23].

Atravs da equao da energia, Eq. (46), foram elaborados os modelos descritos no captulo 5, que aplicados junto com o mtodo de Runge-Kutta, apresentado no Anexo 3, simularo o comportamento do sistema de cogerao em seu regime transiente.

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3 Procedimento experimental

3.1 Descrio do teste

No sistema de cogerao com microturbina a gs natural, instalado no Ginsio de esportes da PUC-Rio em fevereiro de 2006, Fig. 18, foram realizados todos os testes experimentais. Os principais dados foram coletados atravs de um sistema de aquisio e tambm pelo software da microturbina, dos quais foram posteriormente processados e analisados em diferentes condies de operao da microturbina.

Figura 18 Ginsio de esportes PUC-Rio

Atravs da integrao da microturbina com a unidade recuperadora de calor (URC) realizou-se o processo de aquecimento da gua, que simultaneamente era armazenada em um reservatrio trmico, Fig. 19. O uso da gua quente foi destinado para o consumo nos chuveiros do Ginsio da PUC-Rio, atendendo um total de 10, onde anteriormente dispunha de 6 chuveiros eltricos.

Para o fornecimento de energia eltrica no processo de cogerao conectou-se a microturbina em paralelo com a rede eltrica da PUC-Rio no modo de operao Grid Conect, que tem como principal caracterstica a gerao de eletricidade de forma sincronizada mesma tenso e freqncia da rede [24, 25].

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Figura 19 Sistema de cogerao com microturbina a gs natural

Sendo normalmente aplicada para consumo de energia eltrica constante e ininterrupta, modo de operao normal, a microturbina se mostrou mais vivel e com um melhor custo x benefcio no fornecimento de energia no horrio de ponta (de 17:30 s 20:30h) conforme anlise econmica apresentada no Apndice 1.

Durante a gerao de energia eltrica, a energia trmica (calor) dos gases quentes liberada na exausto da microturbina ser aproveitada atravs da unidade recuperadora de calor, onde parte desta energia ser transferida para o aquecimento da gua, que circula de forma ascendente em um escoamento cruzado [12]. Atravs do sistema de bombeamento a gua ser enviada ao reservatrio trmico (boiler), localizado no ltimo pavimento do Ginsio, at alcanar a temperatura estabilizada para o processo.

O circuito para a acumulao e distribuio de gua quente do sistema de cogerao est ilustrado na Fig. 20 e Apndice 2.

O circuito fechado (unidade recuperadora / reservatrio trmico) composto de duas linhas de tubulao de cobre, sendo de 54mm (2) para a entrada de gua e de 35mm (1 1/4) para a sada, isolados com polietileno expandido e protegidos por folhas de alumnio corrugado. A alimentao de gua fria no circuito feita atravs de um pequeno reservatrio de 250 litros, por gravidade e presso atmosfrica.

A distribuio de gua quente para consumo est projetada para atender num total de 10 chuveiros nos banheiros masculino e feminino, 5 em cada, Fig. 21. Para esta linha foi dimensionado um ramal principal com uma tubulao de cobre 54mm (2) e dois ramais secundrios de 22mm (3/4) isolados termicamente com polietileno expandido e protegidos por alumnio.

A mistura da gua quente com a fria ser feita por um misturador externo em cada chuveiro. No Apndice 3, apresenta-se a curva do sistema para alimentao da gua e armazenamento no circuito da cogerao.

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Figura 20 Diagrama do sistema de cogerao

Figura 21 Sistema de cogerao - chuveiro

Nas sees a seguir ser detalhada a instrumentao utilizada nos equipamentos do sistema de cogerao e para os demais testes pertinentes ao trabalho com as respectivas incertezas. Na Fig. 22 apresenta-se o esquema da instrumentao do sistema de cogerao.

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1 Presso do gs natural (pGN) 2 Vazo do gs natural ( GN ) 3 Temperatura do gs natural (TGN) 4 Temperatura dos gases de exausto entrada no Trocador (Tg_e) 5 Temperatura dos gases de exausto sada no Trocador (Tg_s) 6 Temperatura da gua de circulao entrada no Trocador (Tag_e) 7 Temperatura da gua de circulao sada no Trocador (Tag_s) 8 Vazo da gua de circulao no sistema ( ag ) 9 Temperatura do ar entrada no compressor (Tar_e) 10 Fluxo de massa do ar entrada no compressor ( ARm ) 11 Potncia eltrica (P) 12 Tenso eltrica (V) 13 Freqncia eltrica (F) 14 Temperatura ambiente (TAmb)

Figura 22 Esquema da instrumentao do sistema de cogerao

As leituras da maioria dos dados foram feitas manualmente em diferentes sistemas de aquisio conforme mencionadas nas sees subseqentes.

Em relao medio de: potncia eltrica, temperatura de entrada do ar no compressor e presso atmosfrica foram utilizados os sensores internos da prpria microturbina e registrados atravs de um software especfico para a mesma, Capstone Remote Monitoring System (CRMS), com o auxlio de uma porta interface serial RS-232, Fig. 23, e um computador, onde os dados foram importados para uma planilha Excel.

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- Cer

tifica

o

Digi

tal N

042

1077

/CA

58

Figura 23 Software CRMS e Interface RS-232

3.2 Medio dos parmetros de energia eltrica

Para a medio dos parmetros relacionados gerao da energia eltrica como: potncia eltrica, freqncia eltrica e tenso eltrica utilizou-se os sensores internos da prpria microturbina com as seguintes especificaes conforme apresentadas na Tabela 2 [26]:

Tabela 2 Especificao dos sensores internos da microturbina C30

Grandeza Unidade Exatido Fundo de Escala (FE) Potncia eltrica 2,0% (tpico) de sada kW 3,7% (mximo) 28 Tenso eltrica 0,6% (tpico)

V 1,3% (mximo) 528

Freqncia 0,05% da eltrica de sada Hz leitura --

3.3 Medio de vazo - Gs natural e gua de circulao

Para a medio da vazo do gs natural e da gua de circulao na URC foram utilizados medidores de vazo tipo turbina.

O princpio de funcionamento de um medidor de vazo tipo turbina se d devido ao acionamento de um rotor montado axialmente no interior do medidor atravs do fluido que escoa na tubulao, a velocidade deste rotor proporcional velocidade do escoamento do fluido no processo. Um sensor, acoplado ao corpo do medidor, tem seu campo magntico alterado a cada passagem de uma das ps do rotor, gerando um pulso eltrico que amplificado e processado na forma de freqncia (Hz) ou corrente (mA).

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Para a medio da vazo do gs natural utilizou-se um medidor com as seguintes caractersticas mostradas na Tabela 3:

Tabela 3 Caractersticas do medidor de vazo tipo turbina - Gs Sensor Turbina Fabricante CONTECH Modelo SVTG 3/4 N. srie 0204121 Sada Hz Alimentao 24 VDC Linearidade 1,1%

Abaixo apresenta-se a curva do Sensor de Vazo tipo Turbina Gs (SVTG) calibrada pelo fabricante, Fig. 24.

Figura 24 Curva de calibrao do SVTG

Onde na equao ajustada a varivel x representa a vazo de referncia e a varivel y a freqncia lida pelo sensor.

A instrumentao para a medio do gs natural est ilustrada conforme esquema da Fig. 25:

Curva de calibrao do SVTG

y = 98,619x + 0,5191R2 = 1

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30 35 40Vazo (m3/h)

Freq

unc

ia (H

z)

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Figura 25 Instrumentao vazo, temperatura e presso do gs natural

Para a medio da vazo da gua de circulao na URC utilizou-se um medidor com as seguintes caractersticas mostradas na Tabela 4:

Tabela 4 Caractersticas do medidor de vazo tipo turbina Lquido

Sensor Turbina Fabricante CONTECH Modelo SVTL 1.1/2 N. srie 05120008 Sada Hz Alimentao 24 VDC Linearidade 1,0%

Abaixo apresenta-se a curva do Sensor de Vazo tipo Turbina Lquido (SVTL) calibrada pelo fabricante, Fig. 26:

Figura 26 Curva de calibrao do SVTL

Filtro do GN

PT-100

Transdutor de presso

Medidor de vazo tipo Turbina

Curva de calibrao do SVTL

y = 1,258x - 0,1979R2 = 1

050

100150200250300350400450500550600650

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500Vazo (LPM)

Freq

unc

ia (H

z)

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Onde na equao ajustada a varivel x representa a vazo de referncia e a varivel y a freqncia lida pelo sensor.

A instrumentao para a medio da vazo da gua est ilustrada na Fig. 27:

Figura 27 Instrumentao vazo e temperatura da gua

3.4 Medio de vazo - gua de consumo

Para a medio da vazo da gua quente para consumo foi utilizado um hidrmetro na entrada de gua fria no reservatrio trmico. A leitura do volume suprido de gua fria ao sistema, do qual igual ao volume de gua qu