PONTIFCIA UNIVERSIDADE CATLICA DO RIO GRANDE DO SUL

FACULDADE DE ENGENHARIA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

MESTRADO EM ENGENHARIA ELTRICA

ANLISE EXERGTICA DE UM FORNO ELTRICO A ARCO

Autor: Ccero Zanoni

Orientador: Prof. Dr.Jos Wagner Maciel Kaehler Co-orientador: Prof. Vilson Carlos da Silva Ferreira, PhD

Porto Alegre, dezembro de 2004

Ccero Zanoni

ANLISE EXERGTICA DE UM FORNO ELTRICO A ARCO

Dissertao apresentada como requisito parcial para a obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica, pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Pontifcia Universidade Catlica do Rio Grande do Sul. rea de Concentrao: Sistemas de Energia Linha de Pesquisa: Planejamento e Gesto de Sistemas de Energia

Porto Alegre, dezembro de 2004

Para a av Emlia (in memoriam) e Maria Ana (in

memoriam), estejam aonde estiverem, obrigado

pelo que foram.

4

Agradecimentos

Ao concluir um trabalho de pesquisa como este muitas so as pessoas que, de

forma voluntria ou no, direta ou indiretamente, contriburam para o seu final.

Inicialmente agradeo a AES Sul por fomentar a bolsa que propiciou a realizao

deste mestrado.

A PUCRS e aos professores do PPGEE por propiciarem um ambiente de pesquisa e

desenvolvimento adequado bem como as condies essenciais para a realizao

deste trabalho.

As meninas da secretaria Debi, Ndia, Edelvira e Rose pela presteza, ateno e

colaborao ao longo de todo este tempo de convivncia e trabalho.

Aos engenheiros Fbio Luis Heineck, Zilmar Pires Cardoso e Gustavo Buffleben da

Aos Finos Piratini pela ateno e pacincia com que me atenderam e colaboraram

com suas experincias e informaes valiosas para o desenvolvimento deste

trabalho.

Ao Prof. Dr. Peter Bent Hansen pela valiosa orientao prestada no incio deste

trabalho.

Aos colegas de mestrado, onde muitas demonstraes de amizades e

companheirismo foram feitas. Aos amigos e colegas de jornada, Almiro, Daniel e

Marco pela permanente colaborao. Um agradecimento especial ao amigo e

colega, Eng. Adriano Gabiatti pela permanente colaborao e compreenso

demonstrada.

Ao professor e amigo Dr. Vilson Ferreira pela pacincia e ateno dada na co-

orientao deste trabalho. Com certeza esta dissertao ganhou muito em qualidade

graas a sua generosidade em dividir o seu conhecimento comigo.

5

Ao meu orientador Prof. Dr. Jos Wagner Kaehler, obrigado pela confiana e por

compartilhar a sua experincia. A sua maior lio Dr. Wagner, no cabe

simplesmente em uma sala de aula.

Aos meus anjos e pais Paulo e Nelei pela eterna compreenso e dedicao

dispensada, sem nunca pedirem nada em troca. A minha namorada Fabiana pelas

interminveis demonstraes de amor, companheirismo e compreenso. Ao meu

irmo Fbio, a Dani, e a toda minha famlia, obrigado por vocs existirem.

Tenham certeza, existe um pouco de cada um de vocs neste trabalho.

A todos, minha eterna gratido. Obrigado.

6

Resumo

Resumo da Dissertao apresentada ao PPGEE/PUCRS como parte dos requisitos necessrios para

a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica (M.E.E.)

ANLISE EXERGTICA DE UM

FORNO ELTRICO A ARCO

Ccero Zanoni

Dezembro/2004

Orientador: Prof. Dr. Jos Wagner Maciel Kaehler

Co-orientador: Prof. Vilson Carlos da Silva Ferreira, PhD

Linha de Pesquisa: Planejamento e Gesto de Sistemas de Energia.

Palavras-chave: Eficincia Energtica, Exergia, Fornos Eltricos a Arco.

Nos ltimos anos o setor industrial brasileiro tem sofrido seguidos aumentos do

preo da energia eltrica. Antes, um insumo que pouco se fazia sentir nas planilhas

de custo, agora um importante item na composio do preo final dos produtos. A

indstria siderrgica, em particular, aquelas que operam fornos eltricos a arco

(FEA), se defrontam com um mercado cada vez mais competitivo, buscando

incessantemente a reduo de custos. Neste sentido, a adoo de medidas de

eficincia energtica que propiciem um aproveitamento mais racional dos insumos

energticos para uma produtividade igual ou superior, vem ao encontro das

estratgias de competitividade de qualquer empresa. A energia trmica utilizada em

muitos processos industriais, como os siderrgicos, oferece um grande potencial de

economia e reaproveitamento de rejeitos. Este trabalho apresenta uma anlise

metodolgica estruturada para avaliar a disponibilidade de energia (exergia) de um

FEA operando em uma aciaria. So desenvolvidos os balano de energia e exergia

para o processo e comparadas as suas eficincias. Os fluxos de exergia do sistema

so analisados com o objetivo de simular o pr-aquecimento da carga de sucata

possibilitando a reduo de irreversibilidades para o meio ambiente e aumento da

eficincia energtica do processo.

7

Abstract Abstract of Dissertation presented to PPGEE/PUCRS as a partial fulfillment of the requirements for the

degree of Master of Engineer (M.E.E.)

EXERGY ANALYSIS OF AN

ELECTRIC ARC FURNACE

Ccero Zanoni

December/2004

Advisor: Dr. Jos Wagner Maciel Kaehler

Co-Advisor: Vilson Carlos da Silva Ferreira, PhD

Research field: Planning and Management of Energy Systems

Keywords: Energy efficiency, Exergy, Electric Arc Furnace.

Brazilian industry has experienced a continuous increment in electricity costs. What

had low impact in the planning costs becomes an important element for the final

price, now days. The steel industry, in special the ones employing Electric Arc

Furnace (FEA), faces a competitive market, each time more strong and promoting

continuous search for costs reduction. In this context, the adoption of energy

efficiency procedures, resulting more rational the use of energy resources and aiming

equal or even better productivity levels, is the main purpose of any company strategy

towards the competitiveness. The used thermal energy of several industrial

processes, especially the ones in the steel industries, offers great opportunities of

savings and reuse of waste materials. This work presents an analysis to evaluate the

energy availability (exergy) of the FEA of a steel industry. The energy and exergy

balance was developed and the efficiency for the whole process compared each

other. The exergy flux for the system has been analysed in order to simulate the pre-

heating scrap load, allowing to reduce the environment irreversibilities and to improve

the energy efficiency of the process.

8

Sumrio

Captulo I .................................................................................................................................15

Introduo................................................................................................................................15

1.1 Apresentao...........................................................................................................15

1.2 Escopo da Pesquisa.................................................................................................22

1.3 Justificativa .............................................................................................................23

1.4 Objetivos..................................................................................................................27

1.4.1 Objetivo Principal.............................................................................................27

1.4.2 Objetivos Secundrios ......................................................................................28

1.5 Metodologia.............................................................................................................28

1.6 Limites do Escopo...................................................................................................30

1.7 Estrutura da Dissertao .......................................................................................31

Captulo II................................................................................................................................33

Reviso bibliogrfica ...............................................................................................................33

2.1 Apresentao...........................................................................................................33

2.2 Breve histrico do FEA ..........................................................................................34

2.3 Reviso bibliogrfica ..............................................................................................36

Captulo III ..............................................................................................................................45

Fundamentos de anlise exergtica........................................................................................45

3.1 Apresentao...........................................................................................................45

3.2 Primeira Lei da Termodinmica...........................................................................46

3.2.1 Entalpia.............................................................................................................50

3.3 Segunda Lei da Termodinmica ...........................................................................52

3.3.1 Entropia ............................................................................................................53

3.3.2 Irreversibilidades ..............................................................................................56

3.4 Exergia.....................................................................................................................59

3.5 Balano de exergia em sistemas abertos ...............................................................64

9

3.6 Eficincia energtica e exergtica..........................................................................66

Captulo IV...............................................................................................................................69

Balano de exergia de um forno eltrico a arco.....................................................................69

4.1 Apresentao...........................................................................................................69

4.2 Descrio do FEA e definio das fronteiras do sistema ....................................70

4.3 Confiabilidade das medies .................................................................................71

4.4 Balano de massa....................................................................................................73

4.4.1 Elementos admitidos no processo ....................................................................74

4.5 Balano de Energia.................................................................................................81

4.5.1 Perdas de energia do FEA ................................................................................86

4.6 Balano de disponibilidade de energia (Exergia) ................................................89

Captulo V ................................................................................................................................98

Anlise de resultados pr-aquecimento da sucata...............................................................98

V.1 Apresentao...........................................................................................................98

5.2 Anlise do rendimento ...........................................................................................99

Captulo VI.............................................................................................................................105

Concluses .............................................................................................................................105

6.1 Sugestes para trabalhos futuros ........................................................................108

Captulo VII ...........................................................................................................................110

Referncias Bibliogrficas ....................................................................................................110

Apndice I ..............................................................................................................................119

Perdas de Energia do FEA....................................................................................................119

I.1 Perdas por conduo da carcaa e abbada ......................................................120

I.2 Perdas por conveco e radiao da carcaa e abbada...................................122

I.3 Calor consumido pela gua de refrigerao ......................................................126

I.4 Perdas pelos tempos mortos.................................................................................127

I.5 Perdas eltricas .....................................................................................................128

10

Apndice II.............................................................................................................................129

Metodologia para anlise de incertezas ................................................................................129

II.1 Quantificao das incertezas Tipo A ..................................................................130

II.2 Quantificao das incertezas do Tipo B .............................................................131

Apndice III ...........................................................................................................................133

Balano trmico dos gases de exausto ................................................................................133

Apndice IV............................................................................................................................137

Operao de Fornos Eltricos a Arco...................................................................................137

IV.1 Elementos da carga do FEA ................................................................................138

IV.2 Ciclo de operao..................................................................................................140

IV.2.1 Preparao da carga ........................................................................................142

IV.2.2 Carregamento do FEA....................................................................................144

IV.2.3 Perfurao e fuso ..........................................................................................146

IV.2.4 Refino oxidante ..............................................................................................149

IV.2.5 Retirada da escria (Slag-off).........................................................................150

IV.2.6 Refino redutor (adio de ligas e desoxidao)..............................................151

IV.2.7 Tempo de operao.........................................................................................153

IV.2.8 Reaes de oxidao e reduo ......................................................................155

Apndice V .............................................................................................................................158

Tabelas dos balanos de energia e exergia...........................................................................158

11

Lista de smbolos A rea [m2]

cp calor especfico a presso constante [kJ/ mol.K]

D dimetro [m]

E espessura [m]

KE condutibilidade trmica [kcal/m0C]

N nmero de corridas do forno

t variao de temperatura [K]

V volume [m3];

v volume especfico [m3/mol]

p presso [atm]

R constante universal dos gases perfeitos [0,082 atm.l/mol.K]

n nmero de moles [massa/mol]

m massa [kg]

Q calor [ kJ/h]

Ksb constante de Stefan-Boltzman [5,67 x 10-8 W/m2. K4]

T temperatura [K]

Ti temperatura irradiante [K]

Tf temperatura final [K]

I irreversibilidades [J]

g constante de acelerao da gravidade [m/s2]

vel velocidade escalar [m/s]

z altura [m]

S entropia [J/K]

s entropia especfica molar [J/K-1.mol-1]

i componente ou composto qumico [ ]

G funo especfica molar de Gibbs [J/mol]

W trabalho [J]

T1..Tn termos das equaes

12

Letras gregas

exergia [J]

exergia especfica [J/mol]

constante de emissividade

taxa de gerao de entropia [J/K]

0i potencial de exergia qumica para condies ambiente [J/mol] 00i potencial de exergia qumica para o estado morto [J/mol]

eficincia energtica [ ] eficincia exergtica [ ]

Sobrescrito

- propriedade em unidade molar

perdas somatrio das perdas trmicas do FEA

s sistema

Subescrito

- propriedade em unidade molar

entrada conjunto de compostos e substncias que entram no forno

sada conjunto de compostos e substncias que saem do forno

agua_refrig gua do sistema de refrigerao dos painis do forno (carcaa e abbada)

Eletricidade Energia eltrica consumida pelo forno

GN Gs natural consumido pelo forno

0 propriedade em condies ambientais

00 estado morto (ambiente)

f estado final ou de sada do processo

cond conduo

conv conveco

13

Lista de Figuras

Figura 1.1 Cadeia produtiva e eficincia energtica [26]........................................17

Figura 1.2 Variao dos preos da energia eltrica perodo 1995 a 2003. .........27

Figura 2.1 Evoluo tecnolgica do FEA ...............................................................36

Figura 3.1 Ciclo para demonstrao da propriedade energia..................................47

Figura 3.2 Ciclo trmico com dois estados.............................................................54

Figura 3.3 Balano de entropia em sistemas abertos .............................................55

Figura 3.4 Diviso da exergia.................................................................................60

Figura 3.5 Trabalho reversvel e interao com o calor .........................................62

Figura 3.6 Balano de exergia para um sistema aberto .........................................65

Figura 4.1 Definio da fronteira do sistema..........................................................70

Figura 4.2 Balano de energia do FEA (resumido) ................................................88

Figura 4.3 - Fluxograma de anlise exergtica do forno eltrico a arco....................91

Figura 4.4 Balano de exergia do FEA Calores entrada .....................................96

Figura 4.5 - Balano de exergia do FEA Calores sada .........................................96

Figura V.1 Diagrama do fluxo para pr-aquecimento da sucata ..........................100

Figura V.2 - Balano de exergia do FEA com pr-aquecimento da sucata .............101

Figura V.3 Incremento da eficincia exergtica com pr-aquecimento da sucata102

Figura V.4 Relao entre consumo de energia eltrica e eficincia exergtica ...103

Figura V.5 Reduo das irreversibilidades............................................................103

Figura VI.1 Custos de produo da rota semi-integrada ......................................107

Figura VI.2 Reduo dos custos de produo com o pr-aquecimento da carga 108

Figura III.1 Volume de controle para balano de energia dos gases de exausto

................................................................................................................................134

Figura IV.1 - Fabricao do ao via processo tradicional........................................141

Figura IV.2 Fabricao do ao via processo com FEA mais forno panela ...........142

Figura IV.3 - Estratificao dos padres de sucata .................................................144

Figura IV.4 - Carregamento do FEA com cestes...................................................145

Figura IV.5 - Ciclo de processo de operao com dois carregamentos de sucata..154

Figura IV.6 - Relao entre C no banho e O2 inserido no processo........................156

14

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 Correlao entre consumo industrial e eletro-intensivos ......................19

Tabela 1.2 Emisses de CO2 do setor siderrgico por grau de integrao 1990 a

1998. .........................................................................................................................25

Tabela 1.3 Consumo de energia eltrica por segmento industrial..........................26

Tabela 4.1 Valores mximos e mnimos do ao-carbono........................................71

Tabela 4.2 Composio qumica do ferro-gusa......................................................75

Tabela 4.3 Composio qumica da cal (calctica e dolomtica) .............................75

Tabela 4.4 Composio qumica do gs natural ....................................................75

Tabela 4.5 Coeficientes de correo volumtrica para os gases de exausto.......78

Tabela 4.6 Composio da carga fria.....................................................................78

Tabela 4.7 Balano de massa do forno do FEA.....................................................79

Tabela 4.8 Tabela resumo do balano de massa do FEA......................................81

Tabela 4.9 Temperatura dos elementos que entram e saem do FEA....................83

Tabela 4.10 Relao de elementos de entrada do forno (carga fria) .....................84

Tabela 4.11 Elementos de sada do forno (produtos) ............................................85

Tabela 4.12 Perdas trmicas e eltricas do FEA ...................................................87

Tabela 4.13 - Valores de exergia na entrada do FEA ...............................................94

Tabela 4.14 Valores de exergia na sada do FEA..................................................95

Tabela I.1- Perdas trmicas pela carcaa e pela abbada .....................................126

Tabela I.2 Calor absorvido pela gua de refrigerao...........................................127

Tabela III.1 Valores de massa e nmero de moles do ar atmosfrico admitido no

FEA .........................................................................................................................135

Tabela III.2 Calores especficos ...........................................................................136

Tabela III.3 Massas e volumes dos gases de exausto .......................................136

Tabela IV.1 - Tempos tpicos de operao dos fornos eltricos a arco...................155

Tabela V.1 Balano de energia do FEA ...............................................................159

Tabela V.2 Balano de exergia do FEA ...............................................................160

Tabela V.3 - Balano de exergia do FEA com pr-aquecimento da sucata ............161

Captulo I

Introduo

1 INTRODUO

1.1 Apresentao

Ao longo da histria da humanidade, o uso das diversas formas de energia tem sido

um fator importante de desenvolvimento. Com o decorrer do tempo, a

industrializao e o crescimento populacional criaram crescentes e novas demandas

por servios e energia, exercendo forte presso sobre a utilizao de recursos

energticos [14].

Durante muito tempo, os recursos energticos usados foram considerados

inesgotveis. No entanto, foi na dcada de 70, com a ocorrncia das duas crises dos

16

preos do petrleo (1973 e 1978) que o mundo tomou conscincia de que os

recursos energticos so finitos [6].

Como conseqncia dessas crises, foram criados vrios programas de

racionalizao do uso da energia, para minimizar o impacto econmico que a alta do

petrleo imps as economias de diversos pases.

Desta forma, a idia inicial de racionalizao contribuiu para um conceito bastante

limitado que se convencionou chamar de conservao de energia. Este conceito

consistia basicamente, no perodo imediatamente ps-crise do petrleo, em

conjuntos de prticas de alcance limitado destinadas a eliminar desperdcios

flagrantes no consumo de energia [6].

Atualmente, tendo em vista as necessidades produtivas requisitadas pela sociedade,

o termo mais adequado gesto de energia, a inclusa a eficincia energtica.

Segundo KAEHLER [26], o conceito de eficincia energtica est estreitamente

vinculado ao servio energtico produzido e se refere cadeia energtica como um

todo, isto , desde a sua extrao (ex. extrao de petrleo) ou transformao (ex.

gerao1 hdrica) at o seu uso final (ex. iluminao). Este conceito, bem como as

transformaes de energia e resduos produzidos ao longo da cadeia produtiva, so

ilustradas na Figura 1.1.

1 O emprego do termo gerao de energia, mesmo no sendo adequado, foi utilizado para evitar redundncia no texto. O correto transformao de energia, j que esta no gerada e sim transformada (Primeira Lei da Termodinmica)

17

FONTE: KAHELER [26]

Figura 1.1 Cadeia produtiva e eficincia energtica [26]

Como pode ser visto pela Figura 1.1 fica evidente a relao de eficincia energtica

com as questes ambientais, tendo em vista que a energia obtida a partir do meio-

ambiente e, aps ser transformada e utilizada rejeitada em sua quase totalidade

de volta ao meio-ambiente sob diferentes formas de rejeitos [26].

Assim, fica claro a importncia de se adotar medidas que, num sentido mais amplo,

compreenda no s a diminuio da quantidade de energia primria necessria para

propiciar o consumo de energia til, mas tambm a construo de uma filosofia que

implique uma necessidade menor de consumo da energia til para um padro igual

ou superior de servio [6].

No s fatores ligados diretamente disponibilidade dos recursos energticos

influenciaram mudanas nos setores de energia de diversos pases, principalmente

na segunda metade da dcada de 1980 em diante. Particularizando para o contexto

brasileiro, a condio do Estado de continuar sendo o grande financiador dos

O Meio Ambiente NaturalO Meio Ambiente Natural

Recursos PrimriosEnergiaEnergia MatriaMatria

Transformaes Primrias

Transporte

Transformaes Secundrias

Distribuio

RequisitosUsos

Bens e Servios

Rej

eito

s T

rmic

os

Perd

as e

Dej

etos

O Meio Ambiente NaturalO Meio Ambiente Natural

Recursos PrimriosRecursos PrimriosEnergiaEnergiaEnergiaEnergia MatriaMatria

Transformaes Primrias

TransporteTransporte

Transformaes Secundrias

DistribuioDistribuio

RequisitosUsos

RequisitosUsos

Bens e ServiosBens e Servios

Rej

eito

s T

rmic

os

Perd

as e

Dej

etos

18

setores de infra-estrutura acabou por esgotar-se, por diversos fatores, sendo o

principal deles a falta de condies de investimento para suprir a crescente demanda

[51]. Assim, nas duas ltimas dcadas do sculo passado, vrios pases de todo o

mundo, dentre eles o Brasil, iniciaram os processos de reestruturao e privatizao

dos setores de petrleo e energia eltrica.

Desta forma, o Brasil desenvolveu ao longo da dcada passada, uma ampla

reestruturao do setor eltrico que se caracterizou principalmente pelas

privatizaes das empresas de energia e desverticalizao das atividades de

gerao, transmisso, distribuio e comercializao. Como resultados desta

reestruturao, o governo pretendeu implantar um mercado competitivo no setor

eltrico e garantir a continuidade do suprimento com aumento da oferta de energia,

cujos investimentos devero vir do capital privado.

Espera-se, a partir de ento, mesmo com a total liberalizao do mercado de

eletricidade em 2005, que as tarifas de energia sofram significativos reajustes, j que

as empresas do setor eltrico devero investir em novas unidades de gerao e

ampliar os sistemas de transmisso e distribuio de energia. Tal situao tem

impacto direto nos setores industriais, principalmente os chamados eletro-intensivos,

como o caso da siderurgia.

Outro fator que afetou as indstrias eletro-intensivas, foi a crise energtica que se

abateu no Brasil em 2001. Esta crise veio reduzir a produo industrial como um

todo, mas afetou principalmente os setores mais eletro-intensivos.

19

A chamada crise energtica suscitou discusses sobre a capacidade do atual

parque gerador instalado em suprir as crescentes demandas dos setores mais

intensivos de energia eltrica. Segundo ANDRADE [2], para atender as

necessidades de crescimento dos consumidores eletro-intensivos, ser necessrio

um aumento da oferta de energia em torno de 19,3 GWh/ano at 2010,

considerando-se uma taxa de crescimento de 2,5% para os setores eletro-intensivos.

Com relao ao setor industrial, existe uma forte correlao entre o consumo de

eletricidade no setor secundrio brasileiro e indstrias eletro-intensivas, como pode

ser visto na Tabela 1.1:

De acordo com a Tabela 1.1, o crescimento do consumo de energia eltrica no setor

industrial, entre 1996 e 2001 foi de 6,18%, enquanto que para o mesmo perodo, o

aumento da demanda por eletricidade dos setores eletro-intensivo foi de 13,74%.

Isso, considerando-se a retrao ocorrida em funo da crise energtica de 2001,

onde, com relao a 2000, a indstria eletro-intensiva teve uma queda de 9,08% no

seu consumo energtico, enquanto que o setor industrial como um todo teve um

decrscimo de 5,84%.

Tabela 1.1 Correlao entre consumo industrial e eletro-intensivos

Unid.GWh/ano

1996 1997 1998 1999 2000 2001

Consumo Energtico Total 277.685 294.689 307.030 314.698 331.596 309.920

Consumo Industrial 129.755 135.521 136.427 138.468 145.821 137.774

% Ind./Energtico Total 53,27 54,01 55,57 56,00 56,02 55,55

Cons. Eletro-intensivos 55.166 59.366 61.384 63.440 68.450 62.747

% Eletro-intensivos/Ind. 57,48 56,19 55,01 54,18 53,06 54,46

FONTE: BNDES e BEN 2001 Anlises do autor

20

Em particular, a indstria siderrgica foi responsvel em 2002 pelo consumo de

10,7% da energia eltrica total no Brasil e 29,15 % considerando-se apenas o setor

industrial [43].

Quando se trata de siderrgicas operando fornos a arco (aciaria eltrica), estas

respondem por 33,4% de todo o ao produzido no mundo [5]. No Brasil, que

favorece a predominncia da rota integrada devido a grande oferta interna de

minrio de ferro, a aciaria eltrica responsvel por 7,052 milhes de toneladas de

ao bruto produzidos, de um total de 33,583 milhes de toneladas no ano 2000 [3],

respondendo por aproximadamente 21% da produo nacional.

Diante do cenrio que se apresenta com relao a custos e competio, torna-se de

importncia estratgica para o setor siderrgico, presumivelmente uma das bases do

desenvolvimento industrial [68], a adoo de medidas e polticas que possibilitem a

reduo da demanda de energia e um aproveitamento mais eficiente dos recursos

energticos que formam a matriz de insumos dos processos da indstria do ao,

alm de buscar a mitigao dos impactos ambientais.

Independente da rota tecnolgica considerada, a energia eltrica tem um peso

expressivo dentro da matriz dos custos de produo de ao, o que justifica a

importncia de operar processos mais eficientes energeticamente.

Com relao s aciarias eltricas, ao se enfatizar a questo da eficincia energtica

e reaproveitamento de subprodutos, surge a necessidade de anlise do rendimento

das diversas etapas do processo de produo. Para tanto, deve-se considerar as

21

matrias-primas necessrias, as quantidades de energia e seus vetores envolvidos

no processo bem como o montante de produto (ao) e subprodutos (gases e

escria). Esta contabilizao, denominada de balano de massa e energia, constitui

uma ferramenta para anlise do rendimento do processo industrial e instrumento

essencial para quaisquer medidas de eficincia energtica que envolva processos

de fuso.

As anlises energticas, baseadas na Primeira Lei da Termodinmica, so uma das

ferramentas mais utilizadas na avaliao da eficincia de processos e sistemas

trmicos. No entanto este tipo de balano de energia no leva em considerao a

qualidade da energia envolvida no processo, ou seja, a capacidade de realizar

mudana, das diversas formas de energia [36], isto , a capacidade de realizar

trabalho.

Assim, a anlise de sistemas trmicos atravs da Primeira Lei da Termodinmica,

apesar de simples e til, no permite avaliar racionalmente o uso da energia, pois de

acordo com a Segunda Lei da Termodinmica, nem toda a energia de um sistema

pode ser convertida em trabalho ou calor til [65] [13].

Desta forma, com o intuito de suprir esta deficincia implcita nas anlises baseadas

na Primeira Lei, surgiu na dcada de 1950 o conceito de exergia. Este conceito, que

trata da disponibilidade de trabalho til de um sistema, incorpora na sua definio

tanto o Primeiro como o Segundo Princpio da Termodinmica. A partir de ento e,

principalmente aps a crise do petrleo da dcada de 1970 [64], as anlises

exergticas tem sido amplamente utilizadas para calcular eficincias de processos

industriais especficos. A maior parte destes estudos tem demonstrado grandes

22

oportunidades para o aumento da eficincia energtica nos processo industriais,

alm de indicar medidas e setores econmicos prioritrios para a obteno de tais

ganhos de eficincia [36].

Sendo assim, o objeto de trabalho desta dissertao apresentar uma metodologia

de balano exergtico para um forno eltrico a arco (FEA). Esta anlise tem por

objetivo principal fornecer informaes do processo que possibilitem medidas de

eficincia energtica no FEA.

1.2 Escopo da Pesquisa

O projeto de pesquisa proposto neste trabalho tem por escopo o desenvolvimento de

uma metodologia para balano exergtico de Fornos Eltricos a Arco (FEA).

Para tanto, a anlise e o entendimento dos processos de uma aciaria eltrica, desde

a separao e preparao da sucata, passando pelo processo de fuso no FEA, at

o lingotamento do ao de fundamental importncia para o desenvolvimento da

metodologia destinada a determinar a eficincia energtica do FEA.

O balano de exergia, como visto anteriormente, uma ferramenta importante para

a otimizao dos parmetros operacionais quanto determinao da carga tima e

seus componentes, observando tambm as relaes possveis com os insumos

energticos disponveis e as operaes inerentes do forno [47]. Com esta

23

informao pode-se propor, com maior segurana, alteraes na operao do

processo de tal maneira a propiciar um maior rendimento produtivo, com uma

eficincia energtica maior, acarretando uma reduo dos custos de produo e

minimizando os impactos ambientais.

Para a elaborao de uma metodologia de contabilizao energtica do processo

para produzir uma determinada quantidade de ao, so necessrias vrias

informaes relativas s caractersticas termodinmicas e s quantidades das

matrias-primas, como a sucata, os insumos energticos (energia eltrica, oxignio,

gs natural, carbono) e dos produtos (ao) e subprodutos (escria e gases de

exausto).

1.3 Justificativa

Pela importncia que a indstria siderrgica apresenta na balana comercial

brasileira e por se tratar de um setor energo-intensivo, a oportunidade de trabalhos

que visam a reduo de custos com energia e que proporcionem um nvel igual ou

superior de produo com maior eficincia energtica, podem ser justificados por

trs aspectos principais:

9 Busca de maior competitividade internacional e importncia na balana

comercial brasileira;

9 Minimizao de impactos ao meio ambiente;

24

9 Impacto da disponibilidade e o aumento dos custos dos energticos na

produo de ao.

Fazendo frente ao cenrio mundial da indstria do ao e considerando a posio de

destaque que a indstria siderrgica apresenta na economia brasileira, surge a

necessidade de otimizao de custos de produo, para que o ao brasileiro

continue tendo o seu destacado papel na balana comercial e no mercado mundial.

Em termos econmicos, a indstria siderrgica brasileira ocupa a oitava posio

entre os maiores produtores de ao bruto no mundo a liderana na Amrica Latina e

a quinta colocao como exportador, representando 1,6% do PIB brasileiro no ano

de 2000 [5].

Com relao s questes ambientais, a indstria siderrgica, principalmente a rota

integrada, caracteriza-se por ser uma grande emissora de CO2. O carbono

utilizado para gerao de energia e, nas usinas integradas, como agente redutor do

minrio de ferro. O processo de produo do ferro-gusa, que envolve a coqueria,

sinterizao/pelotizao e alto-forno, consomem 60 a 70% do total da energia nas

usinas integradas, principalmente devido ao uso do coque como redutor do minrio

de ferro em ferro-gusa [35].

As usinas semi-integradas, que operam FEAs, por no possurem a etapa de

reduo, consomem o carbono basicamente para fins energticos. Estas usinas

consomem cerca de 25% do carbono consumido nas usinas integradas [35]. No

25

entanto, tambm so responsveis pela emisso de CO2, mesmo que em menor

volume, como pode ser visto na Tabela 1.2.

Tabela 1.2 Emisses de CO2 do setor siderrgico por grau de integrao 1990 a 1998.

Unidade: tonelada

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998

Usinas Integradas 23.521 28.008 29.168 30.546 30.801 31.997 31.928 31.570 33.359

Emisso Especfica (t CO2/tab) 1,4951 1,5161 1,502 1,5051 1,484 1,5309 1,5508 1,5393 1,5884

Usinas Semi-integradas 632 581 602 650 680 616 677 744 702

Emisso Especfica (t CO2/tab) 0,16 0,7774 0,7788 0,7778 0,7612 0,8851 0,8229 0,7161 0,7923

Fonte: MCT [35]

A crise energtica que se abateu sobre o Brasil em 2001, alertou a indstria

brasileira no que diz respeito disponibilidade de energia eltrica. Este impacto foi

sentido principalmente nos setores onde a energia eltrica representa o principal

insumo energtico, como nas aciarias eltricas. Considerando-se o perodo de

1985/2000, o consumo de energia eltrica do pas evoluiu a uma taxa mdia de

4,4% ao ano enquanto que a gerao global de energia eltrica cresceu a uma

mdia de 4,1% [2]. No entanto, em 2001 apresentou-se uma queda de 10% na

oferta de energia, com relao a 2000, fundamentalmente por fora dos baixos

nveis dos reservatrios hidreltricos [2].

Neste contexto, a indstria siderrgica foi um dos setores mais prejudicados com

essa crise apresentando uma reduo do consumo de 6,8% [2] (Tabela 1.3).

26

Tabela 1.3 Consumo de energia eltrica por segmento industrial

Unidade: GWh/ano

1985 1990 1995 1999 2000 2001 %Cresc. 00/01

Industrial Total 96.253 112.339 127.171 138.468 145.825 136.346 (6,5)

N/ Ferrosos e Outros

N/ Metlicos 17.169 25.543 28.544 28.294 26.152 23.160 (11,4)

Qumica/Petroq. 13.142 13.315 14.871 16.316 17.569 15.612 (1,1)

Alimentos e bebidas 9.703 10.335 12.725 15.393 15.731 4.750 (6,2)

Ferro-gusa e ao 12.349 12.775 14.360 14.272 15.541 14.472 (6,8)

Papel e celulose 6.626 7.688 9.801 1.368 11.641 12.200 4,8

Txtil 5.593 6.266 6.430 6.314 6.441 6.150 (4,5)

Minerao e

Pelotizao 5.467 5.955 6.311 6.723 7.576 6.618 (12,6)

Ferroligas 4.165 6.211 6.296 5.190 6.393 4.858 (24)

Cimento 2.455 2.938 3.264 4.514 4.324 4.237 (2,0)

Outros 17.685 19.475 22.558 27.365 31.602 31.789 (0,5)

FONTE:BNDES [2]

Ainda com relao ao quesito de energia, no s os efeitos do racionamento devem

ser considerados para justificar medidas de eficincia energtica na indstria

siderrgica.

Com as privatizaes, ocorridas no final da dcada passada, e tambm com a

necessidade de novos investimentos em gerao, inevitavelmente os preos da

energia eltrica tendero a aumentar. Desta forma, o item energia ir pesar cada vez

mais nas planilhas de custos das indstrias como um todo. Desde 1995 as tarifas de

energia eltrica para a indstria sofreram reajustes de quase 200% no perodo,

conforme pode ser visto na Figura 1.2.

27

Variao do preos da Energia Eltrica para o setor Industrial (R$/Mwh)Ano: 1995 a 2003 - Mdia brasileira

R$0,00

R$20,00

R$40,00

R$60,00

R$80,00

R$100,00

R$120,00

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

FONTE: ANEEL

Figura 1.2 Variao dos preos da energia eltrica perodo 1995 a 2003.

Sendo assim, conforme o exposto anteriormente, torna-se oportuno e de

importncia estratgica para o setor siderrgico, em particular s que operam FEAs,

o desenvolvimento de projetos e metodologias que visem a utilizao de

mecanismos que possibilitem eficincia energtica e reduo de custos e, por

conseguinte ganho de competitividade.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo Principal

Este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de uma metodologia de

balano de exergia para um FEA operando em uma aciaria eltrica. Com isto

pretende-se que a metodologia proposta fornea subsdios que possibilitem a

operao otimizada de um FEA com vistas eficincia energtica.

28

1.4.2 Objetivos Secundrios

Os sistemas trmicos, de qualquer natureza, podem apresentar ganhos expressivos

em eficincia energtica nos setores industriais e comerciais. No entanto, medidas

que visam uma racionalizao no uso energtico destes sistemas esbarram nas

dificuldades de implementao principalmente por apresentarem custos mais

elevados. Outro motivo que pode ser citado a falta de conhecimento de

metodologias que possam validar anlises mais confiveis com relao a viabilidade

tcnica e financeira de sistemas trmicos.

Sendo assim, pretende-se como objetivo secundrio, criar subsdios prticos e

tericos que possam ser utilizados em futuras anlises de eficincia energtica em

diversos sistemas trmicos de uso industrial.

1.5 Metodologia

Este projeto de pesquisa caracteriza-se como um trabalho terico-prtico, pois

envolve o desenvolvimento de uma anlise metodolgica estruturada do balano

exergtico, tendo como base a pesquisa bibliogrfica. Tambm se faz necessrio a

aplicao de uma pesquisa de campo especfica a fim de obter informaes que

possam validar a metodologia proposta, atravs de um estudo de caso, alm de

fornecer subsdios para o entendimento do ciclo de produo de ao em FEAs.

29

As fontes de dados primrias, que serviram de base para o desenvolvimento terico

da metodologia de balano exergtico, foram as bibliografias pesquisadas. As fontes

de dados secundrias foram basicamente constitudas pelas informaes obtidas na

aciaria onde se realizou o estudo de caso, na forma de relatrios, anlise de

documentos, entrevistas e visitas realizadas.

A seqncia de desenvolvimento proposto para este trabalho consiste basicamente

em 5 etapas distintas:

9 Reviso Bibliogrfica;

9 Pesquisa de campo: Nesta etapa foram levantados os dados necessrios

para o desenvolvimento da metodologia. A principal fonte de informaes

desta etapa foram visitas, entrevistas e relatrios obtidos na aciaria onde foi

efetuado o estudo de caso.

9 Desenvolvimento da metodologia de anlise estruturada terica

proposta: Proposio de uma estrutura metodolgica de balano exergtico

para um forno eltrico a arco que contemple as variveis de influncia no

processo de produo de ao via FEA.

9 Estudo de caso: nesta etapa foi testado a metodologia terica, a partir de um

estudo de caso com dados reais das corridas realizadas no FEA, objeto de

estudo, a fim de simular aes visando uma melhor eficincia do processo.

30

9 Concluses: Discusso dos resultados esperados e obtidos bem como

proposio de temas correlatos para uma seqncia de trabalhos futuros.

1.6 Limites do Escopo

O desenvolvimento de projetos, bem como as anlises relativas a sua viabilidade

tcnica e econmica, que se mostrem possveis de serem realizados com as

informaes advindas do balano exergtico, foram citados como referncia a

trabalhos futuros.

Este trabalho no pretende discutir os processos siderrgicos, nem propor melhorias

em tais modelos de produo. A anlise a ser realizada ter enfoque na obteno

das informaes especficas necessrias para a elaborao da metodologia de

anlise proposta.

Anlises ambientais e sociais que, de forma direta ou indireta relacionam-se, com os

processos de siderurgia, tambm fogem ao escopo deste trabalho.

A anlise metalrgica dos materiais e compostos, bem como as suas relaes

qumicas como estrutura cristalina, estabilidades do processo, no foram

consideradas para a elaborao deste trabalho. As propriedades termodinmicas

associadas s reaes qumicas envolvidas no processo de produo foram

31

consideradas apenas para anlise de energia e disponibilidade sem fazer relao

com outros temas de interesse das Cincias de Materiais Metalrgicos.

As informaes sobre as perdas de energia trmica relativa ao processo e a

construo do forno foram baseadas em um trabalho realizado dentro da prpria

empresa onde foi testada a metodologia. Este trabalho avaliou as perdas durante as

corridas no forno com base em anlises estatsticas e de observao do processo.

1.7 Estrutura da Dissertao

Este trabalho de pesquisa est dividido em seis captulos e cinco apndices. A

abordagem do cenrio que motivou o desenvolvimento do presente trabalho, bem

como seus objetivos e limites de escopo foram abordados neste captulo de

Introduo.

O captulo dois tem como tema a evoluo dos fornos eltricos na indstria

siderrgica e aborda a reviso bibliogrfica sobre o tema desta dissertao. Foram

citados vrios trabalhos desenvolvidos sobre exergia e suas aplicaes tanto em

anlises da eficincia de economias industriais, ciclo de vida de produtos e

siderurgia.

O captulo trs faz uma breve abordagem da Primeira e Segunda Lei da

Termodinmica e trata dos princpios de anlise exergtica de sistemas trmicos.

32

O captulo quatro apresenta a aplicao da metodologia proposta para um FEA,

usando para tal, os dados coletados na aciaria onde se desenvolveu a pesquisa

prtica. A demonstrao dos resultados obtidos da anlise exergtica e a

comparao destes com o balano de energia (Primeira Lei da Termodinmica)

foram abordados neste captulo.

O captulo cinco traz a anlise dos resultados obtidos e faz uma simulao para

aumentar a eficincia do FEA utilizando-se os gases de exausto como elemento

para pr-aquecimento da sucata.

As concluses e recomendaes para trabalhos futuros so assuntos do captulo

seis da presente dissertao.

O primeiro apndice descreve os procedimentos e consideraes adotadas para

calcular as perdas trmicas do FEA. O apndice dois apresenta a metodologia

utilizada para avaliar as incertezas das medies e dados recebidos do FEA

analisado. O apndice trs trata do balano trmico dos gases de exausto do FEA

a fim de obter a temperatura final de mistura. O apndice quatro faz uma breve

descrio do ciclo de operao do FEA, enquanto que o apndice cinco, apresenta

as tabelas com os balanos de energia e exergia mais detalhados.

Captulo II

Reviso bibliogrfica

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Apresentao

Este captulo possui duas partes distintas. A primeira parte faz uma breve descrio

das rotas de fabricao de ao e um histrico resumido do FEA, bem como a sua

evoluo tecnolgica ao longo de mais de um sculo desde a sua inveno. A

primeira parte tambm fornece algumas informaes do uso desta tecnologia no

Brasil e no mundo. A segunda parte deste captulo, finaliza com uma reviso

bibliogrfica de alguns trabalhos desenvolvidos que utilizaram os fundamentos de

anlise exergtica para anlise de diversos sistemas.

34

Esta reviso feita de maneira a abordar as diversas vertentes que a exergia foi

tratada, tanto para sistemas econmicos, como para aplicaes industriais e

ecolgicas, finalizando com trabalhos efetuados na rea siderrgica.

2.2 Breve histrico do FEA

O Brasil o maior produtor mundial de minrio de ferro e o segundo maior

exportador, s ficando atrs da Austrlia. Por possuir a quarta maior reserva mundial

de minrio de ferro, aproximadamente 6,1% das reservas mundiais (19 bilhes de

toneladas) [4], a rota tecnolgica que prevalece no Brasil a integrada.

A diferena fundamental entre as usinas integradas e as chamadas mini-mills (semi-

integradas) consiste nas matrias-primas bsicas para a obteno do ao. Na rota

integrada os minrios de ferro e o carvo mineral constituem os principais elementos

para a produo do ao, enquanto que na rota semi-integrada as matrias-primas

fundamentais so a sucata e a energia eltrica.

O processo de obteno do ao via rota integrada decorre de uma srie de

operaes de transformaes metalrgicas. Basicamente pode-se dividir em cinco

etapas: o processo comea com a preparao das matrias-primas (minrio de ferro

e carvo mineral) nas fases de sinterizao e coqueificao, logo a seguir, vem a

produo do ferro-gusa e produo do ao (aciaria) e lingotamento [12].

35

O ferro-gusa, principal produto do alto-forno, obtido atravs da reduo do

oxignio contido no minrio de ferro pela combinao do carbono contido no coque.

Finalmente, na aciaria que se produz, refina e lingota o ao. Existem vrios

processos para se produzir ao. Atualmente os FEAs e os conversores a oxignio

so os mais utilizados [12] [33].

No entanto, o uso dos FEAs tem sido mais utilizados na chamadas rotas semi-

integradas. As usinas que operam este tipo de forno so chamadas de aciarias

eltricas e se caracterizam por usarem ao invs do minrio de ferro como matria-

prima, a sucata e o ferro-gusa como elementos principais para produo de ao.

As aciarias eltricas, respondem por 33,4% de todo o ao produzido no mundo [5].

No Brasil, estas usinas so responsveis por 7,052 milhes de toneladas de ao

bruto produzidos, de um total de 33,583 milhes de toneladas no ano 2000 [3],

respondendo por aproximadamente 21% da produo nacional.

As origens do FEA remontam a 1878, quando W. Von Siemens patenteou um forno

com dois eletrodos dispostos horizontalmente que criavam um arco indireto

aquecendo a carga por irradiao. No entanto, esta inveno s comeou a trilhar

uma trajetria ascendente na produo de ao no sculo XX, quando os custos com

a energia eltrica comearam a viabilizar o uso desta tecnologia [48].

Com a estabilizao da produo mundial de ao e a reduo da demanda, as

dcadas de 80 e 90 caracterizaram-se pelo desenvolvimento de tcnicas que

buscavam a reduo dos custos operacionais e aumento da qualidade do produto

final. Neste sentido, a combinao de uso do forno como elemento fusor e do forno

36

panela, usado para o refino do ao, vem de encontro com a necessidade de

aumento da qualidade do ao produzido [7].

O processo de operao do FEA e do forno panela em aciarias eltricas abordado

no Apndice IV desta dissertao. A evoluo tecnolgica do FEA ilustrada na

Figura 2.1.

Injeo de Oxignio

Painis refrigerados a guaAlta potncia arcos mais longos

Automao do processoEscria espumante

Abbada refrigerada a gua queimadores de O2Vazamento pelo fundo

Pr-aquecimento da sucata

Agitao do banho metlicoEvoluo do pr-aquecimento da sucata

Tempo de operao tap-to-tap

Consumo especfico de energia eltrica

Consumo especfico de eletrodos

Injeo de Oxignio

Painis refrigerados a guaAlta potncia arcos mais longos

Automao do processoEscria espumante

Abbada refrigerada a gua queimadores de O2Vazamento pelo fundo

Pr-aquecimento da sucata

Agitao do banho metlicoEvoluo do pr-aquecimento da sucata

Tempo de operao tap-to-tap

Consumo especfico de energia eltrica

Consumo especfico de eletrodos

FONTE: PFEIFER, H, KIRSCHEN, M. [44]

Figura 2.1 Evoluo tecnolgica do FEA

2.3 Reviso bibliogrfica

Em meados da dcada de 1940, no Massachusetts Institute of Technology (MIT),

comeou a ser utilizado o termo de disponibilidade de energia. Este termo se referia

a real capacidade que um sistema tem de realizar trabalho. Na dcada de 1950

introduzido na Europa por Rant o termo exergia2 [64] que foi definido como sendo a

2 Do grego ex=para fora e ergon=trabalho

37

mxima quantidade de trabalho obtenvel por um sistema quando o fluxo de uma

substncia conduzida de um estado inicial para um estado final [11]. Logo este

termo rapidamente ganhou aceitabilidade global porque no exigia nenhuma

adaptao ou traduo para outros idiomas [11].

A exergia pode ser usada para contabilizar, com base em uma nica unidade de

medida, os vetores energticos, insumos materiais, produtos e poluentes [60]. No

conceito de exergia so incorporados os conceitos da Primeira e Segunda Leis da

Termodinmica [36], [60], [29]. Alm das quantidades de energia, determinadas nos

balanos energticos de cada processo, a qualidade da energia, isto , a

disponibilidade de energia e as irreversibilidades geradas so consideradas na

anlise exergtica [18].

No entanto, apesar dos recentes desenvolvimentos, a anlise exergtica no

usada largamente, como outros mtodos consagrados da anlise energtica. As

razes so variadas e vo desde a desinformao geral sobre o mtodo at as

dificuldades da obteno de dados apropriados, que de fato so bastante

significativas [18]. Mesmo assim, muitos trabalhos tem sido desenvolvidos usando

esta definio de potencial termodinmico em vrias aplicaes:

9 Muitos autores aplicaram a anlise exergtica como metodologia de

contabilizao dos fluxos energticos e de materiais das economias nacionais

[52];

9 A anlise de sistemas trmicos, sem dvida a grande utilizao da anlise

exergtica para estudos e projetos, principalmente para equipamentos

industriais e plantas de gerao trmica [36], [11], [29] e [23];

38

9 A exergia tambm foi utilizada para se desenvolver trabalhos que, a partir do

mtodo do consumo exergtico cumulativo, realizam anlises de ciclo de vida

com base na contabilidade exergtica dos fluxos de energia e materiais,

incluindo poluentes [60] e [67];

9 Aplicao em sistemas ecolgicos industriais [60], [22], [58] e [18] e sistemas

agrcolas [42].

Muitos autores afirmam que um processo econmico no est dirigido pela energia

ou pelos montantes de massa utilizados mas sim pelo consumo de exergia destas

economias [34]. Vrios autores [17] [25] [67] apontam que o desenvolvimento

sustentvel est em comum acordo com a necessidade das economias em fornecer

mais servios usando menos recursos. Reduzir o consumo de exergia de uma

economia equivalente a reduzir o consumo de recursos naturais, objetivo principal

do desenvolvimento sustentvel [34].

A anlise de exergia aplicada a uma economia nacional como uma ferramenta

para o planejamento energtico. Com relao economia brasileira, SCHAEFFER

[52] desenvolveu uma anlise exergtica considerando desde a produo da energia

at o seu uso final, tendo como ano base 1987. Este estudo revelou que existe uma

desigualdade entre a qualidade da energia produzida e fornecida aos usurios finais

e a qualidade requerida por estes a fim de executar os usos finais.

39

Esta desigualdade torna-se evidente quando se apresentado o indicador de 32,4%

para a eficincia do sistema energtico brasileiro (Primeira Lei da Termodinmica) e

de 22,8% quando se aplica a anlise de exergia sobre o mesmo sistema de

produo. No entanto, segundo SCHAEFFER [52], estes indicadores apontam que a

economia brasileira possui um significativo potencial para reduzir os impactos

ambientais causados pelas ineficincias associadas a produo e uso final sem

comprometer a qualidade dos servios exigidos.

O grande nmero de trabalhos publicados sobre anlise exergtica referem-se a

sistemas trmicos industriais especficos [36] [60] ou a anlise do ciclo de vida de

uma cadeia produtiva [18]. Nesta linha de trabalhos, vrios autores tem publicado

artigos apresentando metodologias de anlise energtica, embasados na Segunda

Lei da Termodinmica, enfocando sistemas trmicos de gerao de energia e

aplicaes industriais especficas, como siderurgia [34] e petroqumica [55].

Para anlise de processos industrias, GOOL [23] prope uma metodologia que

aplica uma srie de consideraes a serem definidas para o sucesso da anlise.

Partindo-se dos conceitos e equaes bsicas da Termodinmica Clssica, o autor

considera o processo operando em regime permanente, condio fundamental para

o sucesso da anlise. Desta forma, os fluxos so considerados ou entrando no

volume de controle ou saindo dele. Assim, a anlise termodinmica feita apenas

usando as mudanas no volume de controle. Aps a modelagem dos fluxos de

entrada e sada, so inseridas as irreversibilidades inerentes ao processo.

40

A modelagem de plantas trmicas baseada na anlise exergtica tambm foi

discutida por KOTAS [29], [28] que aborda o assunto para sistema abertos e

fechados. Neste trabalho, tambm so apresentados os conceitos da anlise de

exergia para sistemas com reaes qumicas. Na segunda parte do trabalho, o

conceito de exergia usado para definir os critrios de performance de uma planta

trmica operando em estado contnuo e no-contnuo com reaes qumicas.

Com relao a otimizao de plantas trmicas, CHEJNE et al. [15] apresenta uma

metodologia para anlise termo-econmica, apresentando como estudo de caso

uma planta de cogerao operando em ciclo combinado. O autor aplica algumas

regras para definir o custo unitrio da exergia perdida devido s irreversibilidades de

um sistema de cogerao. A otimizao termo-econmica da planta, realizada

utilizando um conjunto de regras que buscam minimizar a funo objetivo custo,

associada a regras ambientais e regulamentaes governamentais.

Uma aplicao clssica da anlise exergtica tem sido as plantas de gerao

trmica. Neste tipo de aplicao, diversos autores [31] [37] [32] exploraram os

fundamentos de anlise exergtica para fundamentar avaliaes de viabilidade

tcnica e econmica alm de determinar as perdas de exergia do processo [59].

As anlises exergticas em plantas de co-gerao e gerao tambm foram

utilizadas a fim de se obter ganhos maiores em eficincia no processos de

combusto [62] [57] e reaproveitamento de rejeitos, como CO2, para sistemas de

pr-combusto [19].

41

O uso da anlise exergtica para avaliar a eficincia de sistemas energo-intensivos

tem mostrado ganhos favorveis no sentido de otimizao de plantas industriais.

Muitas plantas trmicas e energeticamente intensivas, se caracterizam pela

quantidade relativamente grande de transformaes de diferentes recursos

energticos [39].

Ao longo dos dois ltimos sculos, o adiantado desenvolvimento das sociedades

industriais eram caracterizados por uma viso de que os recursos naturais (incluindo

os energticos e de materiais dos mais diversos) seriam inesgotveis para uma

populao (ou pelo menos para uma frao crescente dela). No entanto, a partir da

segunda metade do sculo passado os pensamentos que serviram de base para as

sociedades industriais esto sendo questionados se realmente estes recursos

naturais iro suportar o contnuo crescimento de uma produo macia de bens de

consumo em longo prazo.

Este questionamento serve de base para outra vertente de estudos que utilizam a

anlise exergtica como ferramenta de anlise: as questes ecolgicas [58] e

desenvolvimento sustentvel [67] [22] e [17].

Nesta linha de pensamento GORAN e GONG [67] [22] publicaram trabalhos onde

defendem conceitos para um desenvolvimento sustentvel, traando condies, em

termos de causa e efeito das emisses. As emisses e poluentes, so consideradas

como fluxos com diferenas de potencial termodinmico dentro do meio ambiente

[67] e assim, so feitas anlises de exergia para os processos industriais de

produo at o seu consumo final [22].

42

Com relao indstria siderrgica, diversos trabalhos foram publicados utilizando a

anlise exergtica sob diferentes enfoques: princpios de ecologia industrial [18] e

anlise do ciclo de vida do ao [34], comparao das eficincias energticas das

vrias tecnologias empregadas na fabricao do ao [8], e anlises de processos

localizados da eficincia de fornos [10].

Por possuir uma grande reserva de minrio de ferro, o Brasil privilegia a rota

integrada para produo de ao. Sabe-se que os processos de produo integrados

convencionais, que incluem coqueria, alto-forno e aciaria a oxignio, so mais

poluentes que os processos semi-integrados que utilizam ferro-gusa e sucata em

FEAs.

Desta forma, COSTA [18] investiga os aspectos ambientais de diferentes rotas de

produo de ao. Para isto, o autor optou por privilegiar as emisses atmosfricas

em razo de sua importncia na caracterizao do perfil ambiental da indstria.

Neste trabalho apresentada uma metodologia, baseada em lgebra matricial, para

simular os fluxos de energia e materiais, com enfoque nos fatores de emisses

atmosfricas, determinando quatro nveis de emisso para cada etapa de produo

de ao, assim como a incluso das emisses de outras etapas que no se localizam

nas plantas siderrgicas. Por intermdio do mtodo de Anlise de Ciclo de Vida,

foram calculadas as emisses para cada um dos processos de produo.

Seguindo a mesma linha, MICHAELIS et al. [34] comparam a eficincia exergtica

com que as matrias-primas (minrio de ferro e energticos) so convertidas em

43

produtos com valor agregado (ao) em pases como Japo, Itlia e Brasil, alm das

indstrias semi-integradas da Turquia. O referido trabalho tambm utiliza a exergia

para fazer a anlise do ciclo de vida do ao oriundo das vrias tecnologias

empregadas.

BISIO [8] utiliza a anlise exergtica para explorar a eficincia energtica dentro da

indstria do ao e fundio do ferro analisando as possibilidades de otimizao dos

processos em basicamente trs pontos:

9 Destacando o papel importante do uso da sucata ao invs de produzir ao

novo (processo integrado de beneficiamento do minrio de ferro);

9 Avaliao do alto potencial de recuperao da energia trmica descartada,

principalmente nos fornos operando oxignio para pr-aquecimento de

cargas;

9 Avaliando a possibilidade de utilizao destes gases para cogerao de

energia eltrica e trmica.

A aplicao da anlise exergtica para estudos de FEAs, apesar das poucas

referncias nessa aplicao, tem mostrado um grande potencial de eficincia

energtica e recuperao de rejeitos como gases e poeiras de exausto [8] [11] e

[9].

Os balanos que procuram avaliar a disponibilidade de energia em uma aciaria

eltrica, mostram os potenciais fluxos de energia que esto sendo desperdiados e

44

indicam alternativas para aumentar a eficincia do processo e reduzir o consumo de

energia alm das emisses atmosfricas.

Neste captulo foi apresentado um breve histrico do FEA e sua evoluo. Foram

citados tambm, alguns trabalhos publicados que utilizaram o potencial

termodinmico exergia para anlise de sistemas industriais e cadeias produtivas.

O prximo captulo trata dos fundamentos de termodinmica e do conceito de

exergia, em particular, a fim de possibilitar o entendimento da anlise proposta neste

trabalho.

Captulo III

Fundamentos de anlise exergtica

3 FUNDAMENTOS DE ANLISE EXERGTICA

3.1 Apresentao

As anlises energticas, com base na aplicao da 1a Lei da Termodinmica, tm-se

constitudo numa das ferramentas mais utilizadas para avaliao da eficincia de

sistemas trmicos. No entanto, este tipo de anlise como no considera capacidade

de realizar trabalho carece de uma avaliao da qualidade da energia envolvida no

processo.

Para melhor compreender esta anlise, os fundamentos da Primeira e da Segunda

Lei da Termodinmica so apresentados neste captulo servindo como

embasamento terico para as definies da propriedade termodinmica exergia, ou

46

disponibilidade de energia. Sero abordadas tambm as anlises de eficincia

energtica e exergtica para sistemas abertos.

3.2 Primeira Lei da Termodinmica

A Primeira Lei da Termodinmica, tambm conhecida como Lei da Conservao de

Energia, estabelece que durante um ciclo qualquer percorrido por um sistema, a

integral cclica do calor proporcional a integral cclica do trabalho [65], conforme

descrito pela seguinte expresso:

WQ Equao 3.1

Para muitos processos, o interesse maior pode estar nas mudanas de fase

ocorridas, do que propriamente no ciclo. Para se analisar este processo deve-se

considerar a propriedade energia E.

Considerando o ciclo percorrido por um sistema qualquer, como mostrado no

diagrama Presso x Volume da Figura 3.1, onde ocorre uma mudana do estado 1

para o estado 2, descrito pelo processo A e uma mudana do estado 2 para o estado

1, pelo processo B, tem-se que:

+=+ 22

2

1

2

2

2

1BABA WWQQ Equao 3.2

47

Figura 3.1 Ciclo para demonstrao da propriedade energia

Ainda com relao ao ciclo descrito na Figura 3.1, porm considerando o sistema

mudando do estado 1 para o estado 2 pelo processo C e voltando ao estado 1 pelo

processo B, a descrio da igualdade de calor e trabalho ser:

+=+ 22

2

1

2

2

2

1BCBC WWQQ Equao 3.3

Subtraindo-se as igualdades, tem-se que:

= 21

2

1

2

1

2

1CACA WWQQ Equao 3.4

ou

( ) ( ) =2

1

2

1CA WQWQ Equao 3.5

Sendo que A e C representam processos arbitrrios entre os estados 1 e 2, pode-se

concluir que a quantidade ( )WQ a mesma para todos os processos entre estes estados [65].

V

P

1

2

C

B

A

48

Disto, pode-se concluir que ( )WQ depende apenas do estado inicial e final do processo e no depende do caminho percorrido entre os dois estados. Assim

( )WQ uma diferencial total de uma funo de ponto e, portanto, uma diferencial de uma propriedade do sistema, que chamada de energia do sistema

[65].

dEWQ = Equao 3.6

WdEQ += Equao 3.7

Deve ficar claro que E, representa a energia no s do sistema, mas tambm de

suas vizinhanas. A vantagem disto poder formular as equaes termodinmicas

de estado referindo-se a um sistema perfeitamente definido. Este procedimento,

possibilita focalizar a ateno sobre o processo em particular [56].

Fisicamente a energia E de um sistema pode se apresentar sob mltiplas maneiras,

como energia cintica e potencial, energia de movimento das molculas e energia

associada estrutura dos tomos, conforme mostra a equao 3.8. Na prtica

termodinmica, a energia cintica e potencial so consideradas separadamente,

enquanto que as outras, so consideradas como energia interna do sistema (U)

[65].

)()( pc EdEddUdE ++= Equao 3.8

49

Particularmente, a energia interna de um sistema no inclui qualquer energia que ele

possa ter em conseqncia da sua posio ou movimento e est associada somente

ao estado termodinmico do sistema [65]. Ela se refere energia das molculas das

substncias que constituem o sistema. Supe-se que as molculas de qualquer

substncia esto em incessante movimento e possuem energia cintica de

translao, rotao e de vibrao. A adio de calor substncia aumenta esta

atividade molecular e com isso, provoca um aumento da sua energia interna [56]. As

energias cintica e potencial esto associadas ao sistema de coordenadas alm de

poderem ser determinadas pelos parmetros macroscpicos de massa, velocidade e

acelerao [65].

Assim, a primeira lei da termodinmica para mudana de estado de um sistema,

pode ser escrita como:

WEdEddUQ PC +++= )()( Equao 3.9 onde:

)(

2

12

2

zzgmE

velmE

P

C

=

= Equao 3.10

Quando o sistema passa por uma mudana de estado, a energia pode cruzar a

fronteira na forma de calor ou trabalho e cada uma destas formas de energia pode

ser positiva ou negativa.

50

A variao lquida de energia de um sistema ser igual a transferncia lquida de

energia que cruza a fronteira do sistemas [65]. Desta forma existem duas maneiras

que a energia pode ser transferida na fronteira de um sistema, por calor ou trabalho.

Com relao a transferncia de massa, quando a fronteira no permite a

transferncia de matria entre o sistema e suas vizinhanas, este chamado de

fechado, e a sua massa necessariamente constante [56].

3.2.1 Entalpia

Como visto anteriormente, quando um sistema sofre uma mudana de estado, este

executa um trabalho e absorve uma certa quantidade de calor.

Considerando o sistema mostrado na Figura 3.1, sofrendo uma mudana de estado

1 para 2 e considerando que este processo fornea uma quantidade de calor ao

sistema, enquanto este executa uma expanso de volume, a expresso que define o

trabalho dada por:

= 21

.dvPW Equao 3.11

De acordo com a Primeira Lei da termodinmica, possvel relacionar a energia

interna do sistema U com os valores de Q e W: para um processo finito:

51

WQU = Equao 3.12

Desta forma, para a mudana de estado considerada, tm-se que para o trabalho

positivo realizado pelo sistema:

VPQU = . Equao 3.13

VPUQ += . Equao 3.14

Onde, para a mudana de estado 1 para 2 tm-se:

( ) ( )1122 .. VPUVPUQ = Equao 3.15

Como U, P e V so funes de estado, existe uma propriedade que satisfaz a

relao:

VPUh .+= Equao 3.16

Esta propriedade, cuja variao depende somente do estado inicial e final da

mudana de estado chamada de entalpia e mede o contedo calorfico do sistema

ou de um elemento [53].

Como nos processo metalrgicos a maior parte ocorre presso constante, a

variao de calor pode ser simplificada conforme a seguinte expresso:

52

hhhQ == 12 Equao 3.17

3.3 Segunda Lei da Termodinmica

Enquanto que a Primeira Lei da Termodinmica trata da conservao de energia, a

Segunda Lei da Termodinmica refere-se ao sentido direcional em que a energia

calorfica flui em um sistema, isto , o calor no pode fluir espontaneamente de um

corpo mais frio pra um corpo mais quente.

Assim, a Segunda Lei afirma se um processo possvel ou no de acontecer na

prtica. Alm disso, mostra que no h uma equivalncia total entre trabalho e calor

e estabelece uma srie de relaes para os sistemas termodinmicos [64]. Algumas

consideraes podem ser feitas para melhor entendimento da Segunda Lei:

9 O fluxo de calor sempre ser de um corpo de temperatura mais alta para outro de temperatura inferior; isto quer dizer que se dois corpos de temperaturas diferentes forem colocados em contato, um esfria e o outro aquece, de tal forma que a energia total do sistema se conserva [64].

9 Por outro lado, no possvel construir uma mquina ou um dispositivo

trmico que opere continuamente, recebendo calor de uma nica fonte e produza uma quantidade equivalente de trabalho; essa condio mais abstrata que a primeira, mas pode ser testada na prtica [64].

A essncia do segundo princpio o carter direcional da transferncia de calor e a

qualidade da energia (capacidade de produzir trabalho), ou seja, medida que se

transforma em outras formas existe uma degradao, no entanto, existe a

conservao de energia, conforme a Primeira Lei da Termodinmica [64].

53

3.3.1 Entropia

O conceito de entropia surge das condies restritivas s transferncias de calor de

um sistema e permite prever a evoluo deste sistema de um estado para outro [64].

De forma mais simples, a entropia uma medida da desordem termodinmica do

sistema e para sistemas isolados a entropia nunca diminui, isto : 0S .

No entanto, o conceito de entropia bem mais abrangente. Para sistemas trmicos

operando de forma cclica, a entropia pode ser entendida como sendo uma restrio

imposta pela natureza, isto , uma espcie de pedgio que a natureza cobra. Assim,

para exemplificar, pode-se considerar a seguinte reao de combusto:

OHCOOCH 2224 22 ++

Esta reao exotrmica, isto , libera calor para o ambiente. Para que ela ocorra

no sentido contrrio, de tal forma que os produtos sejam o 4CH e 2O , necessrio

que seja adicionada uma quantidade bem maior de energia do que na combusto. A

esta quantidade de energia, a cada unidade de massa por variao de temperatura,

d-se o nome de entropia.

Para melhor compreender este conceito, Clausius mostrou que num ciclo a razo

entre a variao de calor pela temperatura sempre menor ou igual a zero, isto :

54

0 TdQ Equao 3.18

Esta condio, conhecida como desigualdade de Clausius, para mquinas

reversveis possui valor zero e para mquinas reais o valor sempre negativo.

Desta forma, considerando a condio da desigualdade, para um dispositivo trmico

operando de forma cclica entre dois estados termodinmicos diferentes, conforme

ilustrado na Figura 3.2, a entropia dada por:

TQSS x12 Equao 3.19

Figura 3.2 Ciclo trmico com dois estados

A igualdade vlida para processos reversveis ou ideais. A desigualdade vlida

para os processo irreversveis ou reais.

Reservatrio de alta temperatura

Reservatrio de baixa temperatura

Wtil

Qx

Qy

Reservatrio de alta temperatura

Reservatrio de baixa temperatura

Wtil

Qx

Qy

55

Para sistemas onde existem entradas e sadas (sistemas abertos), como o ilustrado

pela Figura 3.3, o aumento da entropia dado pela seguinte expresso:

0.. += sada entradai i

i smsmTQ

dtdS Equao 3.20

onde os termos T1 a T5, representam, respectivamente:

9 T1 representa a taxa de gerao de entropia no volume de controle;

9 T2, em regime permanente igual a zero, pois representa a variao de

entropia ao longo de dt (estado estacionrio);

9 T3 o aumento de entropia devido ao fluxo de calor que entra e sai do volume

de controle;

9 T4 representa o fluxo de entropia que na sada do volume de controle;

9 T5 representa o fluxo de entropia que na entrada do volume de controle [64].

T1 T2 T3 T4 T5

Entrada de propriedades term mic entalpia,

ntrop .

Calor ou Trabalho de entrada

Sada de propriedades termodinmicas: entalpia,

entropia, ...Entrada de propriedades term mic entalpia,

ntrop .

Calor ou Trabalho de entrada

Sada de propriedades termodinmicas: entalpia,

entropia, ...odine

odineFas: ia, ..as: ia, ..igura 3.3 Balano de entropia em sistemas abertos

Calor ou Trabalho

de sada

Calor ou Trabalho

de sada

56

3.3.2 Irreversibilidades

Todos os processos encontrados na natureza tm algum grau de irreversibilidade.

Os processos que no geram atrito e transferncias de calor so possveis somente

no plano ideal [64]. Todos os processos irreversveis podem ser identificados por

trs caractersticas bsicas:

9 Acontecem espontaneamente e em um nico sentido;

9 Durante a transformao h sempre dissipaes de energia;

9 Para que a transformao ocorra no sentido inverso necessrio a introduo

de energia.

Para que um sistema esteja produzindo trabalho, o clculo das irreversibilidades

pode ser realizado pelo balano exergtico.

realrev WWI = Equao 3.21

Na equao anterior, o trabalho reversvel deve ser entendido como o mximo

trabalho que pode ser alcanado por um dispositivo que interage com o meio a T0.

No entanto, deve-se ficar claro que para um sistema real, com as mesmas

mudanas de estado ilustradas pela Figura 3.2, as taxas de transferncia de calor

(Qx e Qy ) de cada reservatrio trmico, no produziro a mesma quantidade de

trabalho pois o sistema real no reversvel. Assim, o trabalho Wrev, um limite

terico superior, definido para uma situao ideal e serve como parmetro de

57

referncia para avaliar os sistemas reais. Para um volume de controle em regime

permanente Wrev definido pela seguinte equao.

( ) ( ) ++++=entrada

pcsada

pcrev EEsThmEEsThmW .. 00 Equao 3.22

onde:

9 O termo T1 o somatrio do produto da massa de sada (ou vazo para caso

de fluxo) do volume de controle pela energia calorfica disponvel (h) menos a

poro de calor Q no disponvel pela interao como o ambiente (Tos) mais a

energia cintica e potencial.

9 O termo T2 representa o somatrio do produto da massa que entra no volume

de controle (ou vazo de entrada para caso de fluxo) pela energia calorfica

disponvel (h) menos a poro de calor Q no disponvel pela interao como

o ambiente (Tos) mais a energia cintica e potencial.

O significado da diferena entre o trabalho reversvel e o trabalho real a

irreversibilidade. Como o tr lho reversvel pos o e sempre maior que o

trabalho real, em mquinas p

positiva.

Pode-se calcular a irreversibi

T1 T2 abarodutoras de potncia,

lidade tambm pelo teoreitiva irreversibilidade ser sempre

ma de Gouy/Stodola [64]:

58

.0

TI = Equao 3.23

onde a taxa de gerao de entropia, em KJ/mol-1 K-1 e T0 a temperatura

ambiente.

Com o aumento de entropia e a temperatura de referncia, pode-se calcular qual

ser a dissipao ou a irreversibilidade gerada no processo. Se o sistema

consumidor de trabalho, a diferena entre o trabalho real e o trabalho mximo

tambm ser positiva. Portanto, a irreversibilidade ser sempre positiva para

qualquer que seja o sistema trmico de gerao ou consumo de potncia, desde que

a temperatura de operao seja maior que a ambiente.

Segundo TORRES [64], a irreversibilidade pode ser dividida em duas parcelas

principais:

9 Evitvel;

9 Intrnseca.

aIntrnEvitvel III sec+= Equao 3.24

As irreversibilidades evitveis podem ser minimizadas, mas para isso necessita-se

fazer um estudo de otimizao do processo.

As irreversibilidades intrnsecas so provenientes das reaes qumicas

descontroladas e das trocas trmicas dos trocadores de calor, etc., mas dificilmente

so convertidas em exergia.

59

3.4 Exergia

Sendo a energia uma propriedade de um sistema de acordo com a Primeira Lei da

Termodinmica, e esta no podendo ser destruda (conservao de energia), tem a

cada transformao uma parte perdida, isto , uma parcela que no utilizada para

trabalho. Desta forma, RANT [60] , props a palavra Anergia para denominar a parte

da energia que no pode ser aproveitada. Assim, pode-se descrever que a energia

a soma da parcela de tudo aquilo que pode ser aproveitado (exergia) mais a parcela

que no pode ser utilizada (anergia), como resume a seguinte equao:

Energia=Exergia+Anergia Equao 3.25

Para RANT [60], a exergia a parte da energia que pode ser convertida em

qualquer outra forma de energia, isto , a parcela que pode ser transformada em

calor ou trabalho.

Para calcular a exergia de um sistema, necessrio definir uma referncia para que

se possa avaliar o mximo trabalho possvel de ser realizado por um sistema [36].

Desta forma, pode-se tambm definir exergia como sendo uma medida do grau de

afastamento entre o sistema e seu meio ambiente ou estado de referncia3. Esta

medida significa o trabalho mximo que pode ser obtido do sistema em sua

interao com o ambiente at o equilbrio [29].

3 Conceito de meio ambiente usado em exergia necessita que este esteja em perfeito estado de equilbrio termodinmico, ou seja, no pode apresentar variaes de presso ou temperatura [36].

60

Segundo SZARGUT [60] e KOTAS [29] a exergia pode ser dividida em quatro partes,

que so ilustradas na Figura 3.4

9 Cintica;

9 Potencial;

9 Fsica ou Termomecnica;

9 Qumica.

Adaptado de Szargut [60] apud [64]

Figura 3.4 Diviso da exergia

Segundo KAEHLER [26], as exergias cintica e potencial, podem ser agregadas

para conformar as exergias geofsicas e a exergia trmica (termomecnica e

qumica), funo interna da matria, formando a exergia bio-fsico-qumica.

Desta forma, ao se romper o equilbrio das exergias relativas matria (exergia

qumica e termomecnica), est se produzindo, ou consumindo energia e gerando

irreversibilidades para o meio ambiente.

Conforme mostra a figura anterior, a exergia pode ser decomposta:

Exergia Total Exergia

Termomecnicaou Fsica

Exergia Trmica

Exergia Potencial

Exergia Cintica

Exergia Potencial

Exergia Cintica

Exergia Qumica

TP

QumicaReferencial

Exergia Total Exergia

Termomecnicaou Fsica

Exergia Trmica

Exergia Potencial

Exergia Cintica

Exergia Potencial

Exergia Cintica

Exergia Qumica

TP

Qumica

Exergia Total Exergia

Termomecnicaou Fsica

Exergia Trmica

Exergia Potencial

Exergia Cintica

Exergia Potencial

Exergia Cintica

Exergia Qumica

TP

QumicaReferencial

61

TrmicaPotencialCintica ++= Equao 3.26 onde:

QumicaicaTermomecnTrmica += Equao 3.27 PTicaTermomecn += Equao 3.28

Desta forma, a exergia pode ser escrita como:

QumicaPTPotencialCintica ++++= Equao 3.29

As exergias cintica e potencial equivalem s energias cintica e potencial, pois, a

princpio, podem ser totalmente convertidas em trabalho [36]. Desta forma, as

exergias potencial e cintica, em termos especficos so respectivamente,

apresentadas pela Equao 3.30:

zgm e velm PotencialCintica ..2

.2

== Equao 3.30

Quando se trata de anlise de sistemas trmicos, estes componentes de exergia

geralmente tm valor nulo, pois na maioria dos casos, o sistema est em repouso e

as diferena de altura so desprezveis.

A exergia fsica ou termomecnica definida como sendo a mxima quantidade de

trabalho possvel de se obter quando um sistema ou fluxo de uma substncia passa

de estado inicial (P e T) ao estado de referncia (Po e To). Segundo KOTAS [29], esta

62

disponibilidade de trabalho acontece por processos fsicos envolvendo somente

interaes de presso e temperatura com o meio ambiente.

Quando a presso e a temperatura do sistema se igualam com o meio ambiente,

afirma-se que esse o Estado Inativo Restrito (Estado Morto), e, portanto, no tem

mais capacidade de transformar trabalho ou calor [64].

Desta forma a exergia fsica uma propriedade do sistema e tambm do meio

ambiente. Quando se define um volume de controle, a exergia o mximo trabalho

que se pode obter saindo das condies iniciais at a condio do estado morto, ou