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  • Ana Teresa Oliveira Santos Silva

    Mestre em Engenharia Mecnica

    Anlise Termodinmica de uma

    Central de Biomassa Lenhosa

    Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

    Engenharia Mecnica

    Orientador: Professor Doutor Daniel Cardoso Vaz,

    Professor Auxiliar, FCT/UNL

    Jri:

    Presidente: Prof. Doutor Antnio Rafael Janeiro Borges

    Arguente: Prof. Doutor Jos Fernando de Almeida Dias

    Vogal: Prof. Doutor Daniel Cardoso Vaz

    Maro de 2013

  • Anlise Termodinmica de uma Central de Biomassa Lenhosa Nota: A presente dissertao foi redigida segundo a ortografia anterior ao novo acordo ortogrfico. Copyright Ana Teresa Oliveira Santos Silva, Faculdade de Cincias e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa.

    A Faculdade de Cincias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tm o direito,

    perptuo e sem limites geogrficos, de arquivar e publicar esta dissertao atravs de

    exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro meio

    conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar atravs de repositrios cientficos e de

    admitir a sua cpia e distribuio com objectivos educacionais ou de investigao, no

    comerciais, desde que seja dado crdito ao autor e editor.

  • Ana Teresa Oliveira Santos Silva

    Mestre em Engenharia Mecnica

    Anlise Termodinmica de uma Central de

    Biomassa Lenhosa

    Dissertao apresentada na Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade

    Nova de Lisboa para obteno do grau de Mestre em Engenharia Mecnica.

    Maro de 2013

  • Anlise Termodinmica de uma Central de Biomassa Lenhosa

    V

    AGRADECIMENTOS

    Agradeo ao Professor Doutor Daniel Vaz, orientador deste trabalho e meu tutor das

    unidades curriculares de Termodinmica Aplicada e de Energia e Ambiente, o ter-me sugerido o

    tema desta dissertao e a possibilidade de discutir um conjunto de conhecimentos que

    permitiram formular e desenvolver todo o trabalho. Agradeo-lhe tambm todas as indicaes e

    referncias que puderam enriquecer a investigao, bem como toda a disponibilidade prestada

    ao longo de vrios meses.

    Ao Engenheiro Carlos Coelho um especial agradecimento, pela oportunidade do estgio

    numa central termoelctrica de biomassa lenhosa, sem o qual no teria sido possvel

    desenvolver o trabalho com uma base experimental e com a profundidade que se atingiu.

    Um especial agradecimento ao Engenheiro Nelson Camelo, por todo o seu apoio na

    angariao de dados essenciais para a evoluo da dissertao, bem como pela sua

    disponibilidade, compreenso e auxlio ao longo do desenvolvimento do trabalho.

    Gostaria de manifestar a minha gratido para com a Engenheira Cndida pela

    disponibilidade prestada ao longo da permanncia na central termoelctrica.

    famlia e aos amigos, em especial Daniela, Margarida, Mrcia e ao Jos por todo o

    apoio, carinho e incentivo.

    Aos meus pais pelo apoio.

    minha me por me manter sempre superfcie.

    Ao meu pai, exemplo indelvel a quem dedico esta dissertao.

  • VI

  • Anlise Termodinmica de uma Central de Biomassa Lenhosa

    VII

    RESUMO

    Portugal um pas deficitrio em fontes de energia no renovveis, mas dispe de

    potencialidades significativas no domnio das fontes renovveis, que devidamente aproveitadas

    podem ajudar a colmatar a deficincia apontada. No caso da biomassa, em particular a de

    origem florestal, o nosso pas tem imensos recursos, pois 38% do territrio nacional

    constitudo por florestas. Dispondo deste recurso, o nmero de centrais termoelctricas tem

    vindo a aumentar, embora o rendimento energtico seja baixo.

    Urge assim, um estudo aprofundado que permita conhecer melhor os ciclos

    termodinmicos das centrais. A queima da biomassa difcil, pelo que importante conhecer

    certos parmetros de operao e sua variao ao longo do tempo, de forma a melhorar o

    rendimento da central. Para tal necessrio modelar o ciclo termodinmico e fazer uma anlise

    de sensibilidade. neste mbito que surge o trabalho de dissertao.

    Foi feita uma pesquisa e um estudo das tcnicas actuais de converso da biomassa, dos

    problemas existentes e das caractersticas do combustvel, em particular do seu teor de

    humidade e dimenso, que influenciam a sua converso. Atravs da realizao de um estgio

    numa Central, foi estudado o seu processo de funcionamento, desde a admisso da biomassa

    caldeira at produo de energia elctrica, com o objectivo de fazer uma anlise

    termodinmica ao seu ciclo de vapor.

    No tendo acesso memria descritiva da Central, vrias foram as condicionantes e

    dificuldades com que deparamos, mas foi possvel fazer a anlise termodinmica. Para tal,

    decidiu-se recorrer a uma ferramenta computacional, o Cycle-Tempo, para efectuar a simulao

    do ciclo termodinmico, aps um levantamento de software disponveis. Dispor-se de uma

    ferramenta que permita fazer a modelao de uma central, mesmo j em pleno funcionamento,

    extremamente vantajoso pois permite descrever a operao da central, diagnosticar avarias,

    testar hipteses e melhorar o ciclo.

    Recolhidos os parmetros de funcionamento da Central, foi necessrio introduzir pequenas

    modificaes, no decurso do trabalho, no Cycle-Tempo. Aps a modelao do ciclo,

    exploraram-se as vantagens atrs referidas, realizando uma anlise de sensibilidade a diversos

    parmetros de operao: presso da caldeira, perda de carga na caldeira mantendo a presso de

    sada, temperatura do vapor sobreaquecido, presso no condensador, temperatura da gua de

    arrefecimento, rendimento isentrpico associado s turbomquinas, presso de funcionamento

    do desgaseificador, potncia do gerador. Fez-se ainda uma anlise simultnea a vrios

    parmetros de funcionamento.

    Dado que o Cycle-Tempo tambm permite fazer balanos exergticos, e atendendo a que o

    estudo do conceito de exergia foi recentemente introduzido na unidade curricular de

  • VIII

    Termodinmica Aplicada do DEMI, aproveitou-se para concretizar o balano exergtico a uma

    central completa. Para concretizar o clculo foi necessrio determinar a exergia do Eucalyptus

    Globulus.

    No decorrer do trabalho, identificaram-se limitaes no software Cycle-Tempo que

    motivaram o recurso a uma folha de clculo, associada base de propriedades termodinmicas

    FluidProp, como processo alternativo modelao do ciclo. Conseguiu-se modelar o ciclo no

    Cycle-Tempo depois de identificar e simplificar componentes do ciclo que impossibilitavam

    uma soluo numrica.

    Da anlise de sensibilidade, verificou-se que os parmetros que mais influenciavam o

    rendimento do ciclo so a temperatura de sobreaquecimento e a presso de condensao

    (influenciada pela temperatura da gua de arrefecimento). A presso do desgaseificador tambm

    influencia o rendimento do ciclo, mas a encontrada, 13 bar, demasiado elevada face actual

    de 3 bar, para se considerar um aumento.

    Tal como em outras reas do conhecimento, na modelao termodinmica, a informtica

    tambm permite, num menor espao de tempo e com menos esforo, estudar um grande nmero

    de configuraes, de forma a rentabilizar o ciclo.

    Palavras- chave: ciclo de vapor, modelao termodinmica, central de biomassa, anlise

    de sensibilidade, central termoelctrica.

  • Anlise Termodinmica de uma Central de Biomassa Lenhosa

    IX

    ABSTRACT

    Portugal is a country in deficit in non-renewable energy sources, but has significant

    potential in the field of renewables, which if properly exploited can help overcome the

    deficiency pointed out. In the case of biomass, particularly from the forest, our country has

    immense resources, since 38% of the national territory is composed of forests. Given this

    resource, the number of power plants has increased, although there is still room for improving

    the energy efficiencies.

    It becomes important to be able to carry out detailed studies of the thermodynamic cycles

    of power plants. Additionally, in order to look for opportunities to improve the energy

    efficiency of the plants, the burning of biomass is complex, so it is important to monitor the

    time evolution of operating parameters to better understand the behavior of the power plant over

    this life time. The modeling of the thermodynamic cycle followed by a sensitivity analysis can

    contribute towards those objectives. It is in this context that emerges from the present

    dissertation work.

    The thesis includes a review of current techniques for converting biomass and then

    proceeds with the thermodynamic modeling and analysis of a particular biomass power plant

    (12 MWe) in Portugal. The author benefited from an internship programme at the central that

    allowed her to gain insight into the operative process (from the supply of biomass to the

    electricity) and identify existing problems and fuel characteristics, in particular its moisture

    content and dimensions, which influence the conversion.

    Not having access to descriptive of the Thermoelectric Power Plant, there were several

    constraints and difficulties encountered, but it was possible to do the thermodynamic analysis.

    To this end, it was decided to use a computational tool, the Cycle-Tempo, to perform the

    simulation of the thermodynamic cycle, after a survey of available software. Having a model for

    the operation of a power plant is extremely advantageous bec