Download - Analise Exergética de um FEA
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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
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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
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Para a av Emlia (in memoriam) e Maria Ana (in
memoriam), estejam aonde estiverem, obrigado
pelo que foram.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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