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FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA DE LORENA
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL
USO RACIONAL
DE
ENERGIA
Prof. Dr. José Luz Silveira
Eng. MSc. Paulo Eduardo Migoto de Gouvêa
Maio / 2004
i
Índice
Capítulo 1 - INTRODUÇÃO ....................................................................................................................... 01
1.1- Fontes de energia - uma visão integrada..................................................................................... 011.2- Energia e Meio Ambiente........................................................................................................... 041.3- Energia e Desenvolvimento........................................................................................................ 05
Capítulo 2 - PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DO VAPOR D’ÁGUA, FLUIDOS FRIGORÍFICOS E MISTURAS .................................................................................. 07
2.1- Substância pura ......................................................................................................................... 072.2- Equilíbrio de Fases Vapor-Líquida-Sólida em uma Substância Pura ........................................ 072.3- Equações de Estado para a fase vapor de uma substância compressível simples....................... 102.4- Tabelas de Propriedades Termodinâmicas.................................................................................. 122.5- Misturas....................................................................................................................................... 16
Capítulo 3 - POSSIBILIDADES DE RECUPERAÇÃO DE CALOR RESIDUAL EM ESTABELECIMENTOS.................................................................................................... 18
3.1- Recuperação de calor Gás-Ar..................................................................................................... 203.2- Recuperação de calor Gás-Água................................................................................................. 20
Capítulo 4 - TECNOLOGIAS DE COGERAÇÃO................................................................................ 21
4.1- Formas de Cogeração................................................................................................................. 214.2- Adequação de Tecnologias......................................................................................................... 30
Capítulo 5 - MODOS DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO......................................... 33
5.1- Operação em paridade térmica.................................................................................................... 345.2- Operação em paridade elétrica.................................................................................................... 345.3- Operação econômica................................................................................................................... 345.4- Operação em cargas parciais....................................................................................................... 355.5- Tecnologias Aplicáveis ao Setor Terciário................................................................................. 35
Capítulo 6 - O USO DO BIOGÁS NA INDÚSTRIA.................................................................................. 36
6.1- Histórico...................................................................................................................................... 366.2- Tipos de Biodigestores................................................................................................................ 386.3- Projetos de Biogás no Mundo......................................................................................................40
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Capítulo 7 - SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR........................... 41
7.1- Introdução................................................................................................................................... 417.2- Refrigeração por Compressão de Vapor..................................................................................... 427.3- A Destruição da Camada de Ozônio........................................................................................... 457.4- A Importância da Camada de Ozônio........................................................................................ 487.5- Histórico e Caracterização da Destruição do Ozônio................................................................ 507.6- Protocolo de Montreal e Outras Ações Políticas....................................................................... 557.7- Desenvolvimento de Tecnologias Alternativas.......................................................................... 577.8- Diretrizes e perspectivas futuras................................................................................................. 59
Capítulo 8 - SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO...................................................... 61
8.1 - Análise energética de um sistema de refrigeração por absorção.............................................. 64
Capítulo 9 - ANÁLISE TÉCNICA DE SISTEMAS EM APLICAÇÕES INDUSTRIAIS E COMERCIAIS.................................................................................................................... 71
9.1 - Cogeração com Motores de Combustão Interna: Estudo de caso para uma sub-unidade Universitária................................................................ 72
9.2 - Cogeração com Turbinas a Gás: Estudo de caso para um hospital.......................................... 779.3 - Análise Técnica de um Sistema de Refrigeração por Absorção:
O aproveitamento do biogás..................................................................................................... 82
Referências Bibliográficas............................................................................................................................ 88
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Capítulo l - INTRODUÇÃO
A energia apresenta um papel fundamental na vida humana, sendo um dos pilares básicos da infra-
estrutura para o Desenvolvimento, junto com as áreas de transporte, telecomunicações e saneamento básico.
Como conseqüência, a abordagem de temas e assuntos energéticos, de forma integrada no seio da infra-
estrutura, é de grande importância para se caminhar rumo ao desenvolvimento sustentável. No entanto, o
tratamento dado ao assunto requer uma abordagem holística e multidisciplinar, num cenário composto por
todas as dimensões do problema: tecnológica, econômica, social, política e ambiental.
Neste curso, procura-se apresentar uma avaliação integrada do uso racional de energia em sistemas
industriais e comerciais apontando novas tecnologias e modos de operação de sistemas de cogeração, na
busca da utilização harmônica e adequada dos recursos energéticos disponíveis.
Inicialmente, as diferentes alternativas energéticas são classificadas e conceituadas, analisando-se suas
propriedades e restrições, e comparando-as dentro do ponto de vista técnico-econômico. É preciso salientar
que a decisão entre o emprego alternativo de uma ou outra fonte energética baseia-se em um estudo técnico
aprofundado onde são considerados todas as particularidades do problema, bem como todos os custos
envolvidos, seja na geração, transporte, manuseio, armazenagem, utilização e também as necessárias
precauções concernentes à proteção ambiental.
Este amplo estudo, conhecido como planejamento energético, é identificado hoje como um dos
aspectos estratégicos fundamentais para o desenvolvimento de qualquer região ou país, assim como, num
contexto mais amplo, pode ser relacionado com a busca da convivência harmoniosa da humanidade com o
mundo que o cerca e consequentemente, com o desenvolvimento sustentável.
É importante lembrar que tais conceitos globais podem ser aplicados a delimitações cada vez menores
dos sistemas energéticos, podendo-se falar em planejamento energético local, como exemplo de uma
indústria, de uma fazenda, de um município. A harmonizarão das soluções energéticas obtidas nestes dois
contextos, o global e o local, é o objetivo final de um planejamento energético bem executado.
1.1 - Fontes de energia - uma visão integrada
Na figura 1.1 é possível analisar o contexto global do cenário energético, identificando principais
fontes de energia e suas origens. Nesta figura identificamos facilmente as fontes básicas de energia na Terra,
de acordo com suas relações no Sistema Solar e com o impacto do tempo. Como exemplo, pode-se observar
os processos de transformação que conduzem à geração de energia elétrica: transformações de trabalho
gerado por energia mecânica, através do uso de turbinas hidráulicas (acionada por quedas d’águas, mares) e
cata-ventos (acionados pelo vento); transformações direta da energia solar, como através do uso de células
fotovoltáicas; transformação de trabalho resultante da aplicação de calor gerado pelo sol, por combustão (da
energia química), fissão nuclear ou energia geotérmica, através da aplicação de máquinas térmicas,
transformação de trabalho resultante de reações químicas, através de células de combustível.
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Figura 1.1 – Fontes de Energia
As fontes de energia podem ser classificadas segundo o Balanço Energético Nacional em fontes
primárias ou secundárias. Por fonte de energia primária entende-se aqueles produtos energéticos providos
pela natureza, na sua forma direta, como o petróleo, o gás natural, o carvão mineral, o urânio, a biomassa
(lenha, cana-de-açúcar, etc.), a energia hidráulica, energia solar e outras. São formas de energia que podem
ser consumidas diretamente nos diversos setores da economia, como a lenha e o carvão-vapor, ou
principalmente como matéria-prima para a obtenção de energias secundárias nos chamados centros de
transformação (refinarias de petróleo, destilarias, centrais elétricas, etc.)
As fontes de energia primárias ainda podem ser classificadas em não-renováveis ou renováveis. São
consideradas como fontes não-renováveis aquelas passíveis de se esgotarem por serem utilizadas com
velocidade bem maior que os milhares de anos necessários para sua formação. Nessa categoria estão os
derivados de petróleo, os combustíveis radioativos, a energia geotérmica e o gás natural.
Fontes renováveis são aquelas cuja reposição pela natureza é bem mais rápida do que a sua utilização
energética, como no caso das águas dos rios, marés, sol, ventos) ou cujo manejo, pelo homem, pode ser
efetuado de forma compatível com as necessidades de sua utilização energética (como no caso da biomassa:
cana-de-açúcar, florestas e resíduos animais, humanos ou industriais). A maioria destas fontes apresenta
características estatísticas ou estocásticas, de certa forma cíclicas, em períodos de tempo compatíveis com a
operação das usinas e inferiores à vida útil das mesmas. Tais fontes podem ser usadas por exemplo, para
produzir eletricidade principalmente através de usinas hidrelétricas (água), eólicas (vento), solares
fotovoltáicas (sol, diretamente) e centrais termelétricas (sol, indiretamente, gerando vapor e biomassa
renovável).
Por fonte de energia secundária entende-se aqueles produtos energéticos resultantes dos diferentes
centros de transformação, que tem com destino principal os diversos setores de consumo. Assim, são
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exemplos o óleo diesel, a gasolina, o coque de carvão mineral, o carvão vegetal, a eletricidade, etc. Para a
energia secundária há duas alternativas, a maior parte vai diretamente para o consumo enquanto uma outra
parcela é encaminhada aos centros de transformação, sendo convertida em outras fontes de energia
secundária como o que ocorre entre o óleo combustível-eletricidade, bagaço de cana-eletricidade e nafta-gás
canalizado. A figura 1.2 apresenta esquematicamente a transformação da energia primária em secundária
através dos centros de transformação.
Figura 1.2 – Fontes Primárias e Secundárias de Energia
As fontes de energia secundária são em geral, produzidas pelas grandes instalações centralizadas,
principalmente devido a razão do custo unitário. No caso da eletricidade, no Brasil, a grande fonte de energia
elétrica no fim da década de 90 é a geração hidrelétrica. Termelétricas existem em pequena monta, enquanto
que as centrais eólicas, solar fotovoltáicas e de biomassa não passam de projetos de pequeno porte, para a
alimentação de sistemas isolados, distantes das redes elétricas, ou projetos piloto. Entretanto, as mudanças do
cenário de Energia Elétrica neste mesmo período, identificadas pela abertura à competição, a entrada de
capitais privados e a revisão do papel do Estado, que se volta à regulação, regulamentação e fiscalização,
vêm associadas a um aumento da participação termelétrica, a gás natural principalmente, devido à grande
oferta deste combustível e também para compensar a falta de investimentos dos últimos tempos no setor.
Recentemente, a questão energética tem assumido um significado bastante relevante no contexto da
questão ambiental e da busca do desenvolvimento sustentável. Na verdade, a questão energética tem
influenciado muito nas mudanças de paradigma que estão ocorrendo na humanidade, principalmente por dois
4
motivos. Primeiro, o suprimento eficiente de energia passou a ser considerado uma das condições básicas
para o desenvolvimento econômico, a partir da década de 70, devido a crise energética do petróleo. Deste
modo, a questão energética, juntamente com outros setores de infra-estrutura, passou a ser parte fundamental
da agenda estratégica de todos os países. Os vários desastres ecológicos e humanos na últimas décadas têm
uma íntima relação com o suprimento de energia, tomando-se assim, o segundo motivo influenciador do
desenvolvimento sustentável.
Nos últimos cinco anos, a questão energética tomou posição central na agenda ambiental Global,
principalmente dentro das negociações da Convenção do Clima. Isso porque a atual matriz energética
mundial depende ainda, em quase 80%, de combustíveis fósseis, cuja queima contribui para aumentar
rapidamente a concentração de gases do efeito estufa na atmosfera. Porém, de um modo geral, pode-se dizer
que a importância da busca de maior eficiência energética e da transição para o uso de recursos primários
renováveis tem sido ressaltada em toda e qualquer avaliação sobre o desenvolvimento.
Para que o setor energético se torne sustentável, é necessário que seus problemas sejam abordados de
forma compreensiva, incluindo não apenas o desenvolvimento e adoção de inovações e incrementos
tecnológicos, mas também importantes mudanças quem vêm sendo implementadas em todo o mundo. Essas
mudanças envolvem. por um lado, políticas que tentam redirecionar as escolhas tecnológicas e os
investimentos no setor, tanto no suprimento quanto na demanda, conscientizando e alterando o
comportamento principalmente dos consumidores.
Tais mudanças estruturais têm transformado completamente os sistemas operacionais e os mercados de
energia, como a quebra de monopólios estatais e abertura do setor para investidores privados, maior
integração de sistemas de produção e distribuição de forma a aumentar a flexibilidade de suprimento,
desverticalização, regulamentação e fiscalização voltada aos interesses dos consumidores. Essas
modificações são impostas e aceleradas por forças do atual cenário mundial de globalização do mercado
embora tome formas diversas em cada país.
1.2 - Energia e Meio Ambiente
O setor energético produz impactos ambientais em toda a cadeia de desenvolvimento, desde a captura
de recursos naturais básicos para seus processos de produção, até seus usos finais por diversos tipos de
consumidores. Do ponto de vista global, a energia tem participação significativa nos principais problemas
ambientais da atualidade, alguns dos quais são discutido brevemente a seguir.
A poluição do ar urbano é um dos problemas atuais mais visíveis. Grande parte dessa poluição deve-
se ao transporte e à produção industrial, e é largamente ligada ao uso de energia. A produção de eletricidade,
a partir de combustíveis fósseis é também uma fonte de poluição do ar, uma vez que produz óxidos de
enxofre (SOx), óxidos de nitrogênio (NOx), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), monóxido de carbono
(CO) e partículas suspensas. As quantidades desses gases produzidos depende das características específicas
de cada usina e do tipo de combustível utilizado (gás natural, carvão, óleo, madeira). Há também problemas
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de poluição de interiores devido a emissões de CO durante atividades domésticas com uso de determinadas
fontes energéticas, principalmente em áreas rurais.
A chuva ácida se refere ao efeito de poluição causado por reações ocorridas na atmosfera com o
dióxido de enxofre (SO2) e os óxidos de nitrogênio, que levam à concentração de ácido sulfúrico (H2SO4) e
ácido nítrico (HNO3) na chuva. Ao se depositar nos solos, esses ácidos têm efeitos bastante negativos na
vegetação e ecossistemas. O uso de carvão mineral, por exemplo, é um dos grandes causadores da chuva
ácida na Europa.
O efeito estufa e as mudanças climáticas se devem à modificações na intensidade da radiação térmica
emitida pela superfície da terra devido ao aumento da concentração dos gases estufa na atmosfera. Acredita-
se que esse aumento de concentração se deve principalmente a ações antropogênicas relacionadas com
atividades industriais. O dióxido de carbono é o mais significativo e preocupante entre os gases emitidos,
devido a grande concentração emitida e à longa duração de seus efeitos na atmosfera. Suas emissões estão
principalmente ligadas ao uso de combustíveis fósseis. Outros gases estufa são o metano, óxido nitroso
(N2O) e os clorofluorcarbonetos.
O desflorestamento e a desertificação se relacionam respectivamente com a destruição de florestas
devido a poluição do ar, urbanização, expansão da agricultura, exploração de produtos florestais e
regeneração inadequada, bem como com a degradação de terra em áreas áridas, semi-áridas e subúmidas
secas devido ao impacto humano adverso relacionado com cultivo e prática agrícolas inadequadas. O
impacto do desflorestamento tem influência direta no aquecimento global uma vez que as florestas possuem
grande poder de absorção dos gases estufa, em especial, o dióxido de carbono.
A degradação marinha e costeira bem como de lagos e rios é conseqüência da descarga de materiais
poluentes nos cursos de água e na atmosfera, responsáveis por cerca de 75% deste tipo de degradação. O
percentual restante vem da navegação, mineração e produção de petróleo. Ainda neste sentido. o alagamento
e a perda de áreas de terra agricultáveis ou de valor histórico, cultural e biológico está relacionado
principalmente com o desenvolvimento de barragens e reservatórios, os quais são criados para a geração de
eletricidade. Assim, a instalação de usinas hidrelétricas inundam áreas de terra e trazem problemas sociais
relacionados com o reassentamento de populações.
1.3 -Energia e Desenvolvimento
Na organização mundial atual, a energia pode ser considerada como um bem básico para a integração
do ser humano ao desenvolvimento. Isso porque a energia proporciona oportunidades e maior variedade de
alternativas tanto para a comunidade como para o indivíduo. Sem uma fonte de energia de custo aceitável e
de credibilidade garantida, a economia de urna região não pode se desenvolver plenamente. Também o
indivíduo e a comunidade não podem ter acesso adequado a diversos serviços essenciais, bem como ao
aumento da qualidade de vida como a educação, saneamento e saúde pessoal.
A relação do consumo energético com a renda tem sido bastante trabalhada e estudada, levando à
conclusão que o acesso a uma determinada quantia de energia é fundamental para resolver os problemas de
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disparidade e permitir maior facilidade e segurança na busca do desenvolvimento sustentável. Cálculos e
estimativas foram e têm sido efetuados para determinar o consumo energético per capita que permitiria o
atendimento das necessidades básicas dos seres humanos. A visualização do cenário atual mostra as grandes
disparidades de consumo energético per capita, entre os países do mundo, principalmente entre os
denominados desenvolvidos e os não desenvolvidos (emergentes). Esta disparidade segue principalmente o
mesmo padrão de distribuição de renda.
Por outro lado, acredita-se que graus de desenvolvimento comparáveis aos alcançados até o presente
momento, são possíveis sem que seja necessário um aumento semelhante na utilização de energia como se
verificou no processo de desenvolvimento anterior. Isso quer dizer que, com um uso eficiente das fontes
renováveis de energia é possível prosseguir com o desenvolvimento sem colocar maiores pressões sobre o
ecossistema.
Concluindo, pode-se observar que de uma forma geral as soluções energéticas voltadas ao
desenvolvimento sustentável hoje defendidas, seguem determinadas linhas de referência básica. Almeja-se a
diminuição do uso de combustíveis fósseis (carvão, óleo, gás) e um maior uso de tecnologias e combustíveis
renováveis. O objetivo é alcançar uma matriz renovável a longo prazo. É portanto, necessário aumentar a
eficiência do setor energético desde a produção até o consumo. Grande parte da crescente demanda
energética pode ser suprida através dessas medidas, principalmente em países desenvolvidos onde a demanda
deve crescer de forma mais moderada.
Políticas energéticas devem ser redefinidas de forma a favorecer a formação de mercado para
tecnologias ambientalmente corretas, estabelecendo formas para se cobrar os custos ambientais de
alternativas não sustentáveis. Com isto, crescerá o incentivo para o uso e aproveitamento de combustíveis
menos poluentes, implicando em mudanças no setor produtivo como um todo. Essa mudanças são vistas
como necessárias para o aumento de eficiência no uso de materiais, transporte e combustíveis e com isto, o
desenvolvimento tecnológico do setor energético será essencial no sentido de promover alternativas
ambientalmente benéficas.
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Capítulo 2 - PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DO VAPOR D’ÁGUA,
FLUIDOS FRIGORÍFICOS e MISTURAS
Neste capítulo é proposta uma revisão das propriedades termodinâmicas do vapor d’água, fluidos
frigoríficos e misturas, uma vez que essas substâncias e tais propriedades são fundamentais no estudo dos
processos que envolvem troca de calor ou realização de trabalho, enfim nos sistemas energéticos.
2.1- Substância pura
Uma substância pura é homogênea e possui a sua composição química idêntica em todas as fases
(estados de agregação). Assim, uma mistura de água líquida, gelo e vapor d’água constitui uma mistura
homogênea composta de substâncias que possuem a mesma composição química (H2O) em todas as fases.
Por outro lado, uma mistura de ar líquido e gasoso não é uma substância pura, visto que a composição das
fases são diferentes.
Obs.: Uma mistura de gases, tal como o ar, pode ser considerada uma substância pura de composição
constante, desde que não haja mudança de fase
Substâncias simples compressíveis são aquelas substâncias cujos efeitos superficiais, magnéticos e
elétricos são desprezíveis; entretanto, variações de volume associadas a compressão e expansão são muito
importantes.
2.2- Equilíbrio de Fases Vapor-Líquida-Sólida em uma Substância Pura
Fases são os estados de agregação de uma substância pura (sólido, líquido, gasoso). Considere um
sistema contendo água líquida, composto por um êmbolo que mantém a pressão em um valor constante. Esse
esquema é apresentado na figura 2.1a.
Figura 2.1 – Mudança de fase líquida para vapor, à pressão constante para uma substância pura
À medida que calor é transferido ao sistema, a temperatura aumenta consideravelmente, implicando
em um aumento do volume específico. Quando a temperatura atinge um determinado valor, uma
transferência de calor adicional implica em uma mudança de fase (Fig. 2.1b). Durante este processo, a
pressão e a temperatura permanecem constantes, mas o volume aumenta consideravelmente. Quando a última
gota de líquido for vaporizada, uma transferência adicional de calor resulta em um aumento da temperatura e
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do volume específico do vapor, conforme apresenta a figura 2.1c. Em um diagrama TxV é possível distinguir
o esquema de mudança de fase apresentado na figura 2.1.
Definindo Título como sendo a relação entre a massa de vapor (mv) e a massa total (m) quando a
substância existe parte na fase líquida e parte na fase vapor, pode-se caracterizar a condição energética dessa
substância num dado estado termodinâmico (vapor úmido) onde existem as duas fases, líquida e gasosa.
Exemplo: em uma mistura contendo 1kg de água líquida e 0,5kg de vapor, o título é definido como:
333051
50,
,
,
mm
mx
vl
v ==+
= indicando a presença de 33,3% de vapor na mistura.
Temperatura de saturação é a temperatura na qual se dá a vaporização a um determinado valor da
pressão, chamada pressão de saturação. Cada temperatura de saturação corresponde a um único valor de
pressão de saturação. Assim, para a água a uma pressão de 0,1 MPa (PSAT), corresponde a temperatura de
saturação de 99,6ºC, ou seja, a partir dessa temperatura a água líquida começa a mudar de fase, vaporizando-
se. Isto pode ser observado no diagrama TxV da figura 2.2.
Figura 2.2 – Diagrama temperatura-volume para a água
Ponto crítico é o ponto onde os estados de líquido saturado (x=0) e vapor saturado (x=1) são idênticos.
Não há mudança distinta da fase líquida para a de vapor acima do ponto crítico. A temperatura, pressão e
volume específico do ponto crítico são chamados de temperatura crítica, pressão crítica e volume crítico e
tem valores bem definidos para cada tipo de substância, conforme apresenta a tabela 2.1
Tabela 2.1 – Pontos críticos
Temperatura crítica [ºC] Pressão crítica [MPa] Volume crítico [m3/kg]
Água 374,14 22,09 0,003155
Dióxido de carbono 31,05 7,39 0,002143
Oxigênio -118,35 5,08 0,002438
Hidrogênio -239,85 1,30 0,032192
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Em um diagrama do tipo Pressão versus Temperatura (P x T), apresentado na figura 2.3, é possível
distinguir a região de existência de cada fase, identificando também como as fases sólida, líquida e vapor
podem existir juntas em equilíbrio. Nesta figura, ao longo da linha de sublimação, as fases sólida e vapor
estão em equilíbrio. Na linha de fusão, as fases sólida e líquida estão em equilíbrio e ao longo da linha de
vaporização estão em equilíbrio as fases líquida e vapor. A linha de vaporização termina no ponto crítico,
porque não há mudança clara da fase líquida para a de vapor acima deste ponto. O único ponto no qual todas
as fases podem existir em equilíbrio é denominado ponto triplo e a tabela 2.2 apresenta alguns valores
característicos desses pontos para algumas substâncias.
Figura 2.3 – Diagrama pressão-temperatura para a água
Tabela 2.2 – Pontos triplos
Temperatura [ºC] Pressão [kPa]
Água -0,01 0,6113
Nitrogênio -210 12,53
Zinco 419 5,066
Mercúrio -39 0,000 000 13
Para uma substância pura são necessárias duas propriedades termodinâmicas independentes para
definir um estado termodinâmico. Assim, se por exemplo o volume específico e a temperatura do vapor
superaquecido forem especificados, o estado do vapor estará determinado. Entretanto, deve ficar claro o
significado do termo propriedade independente. Assim, considerando os estados líquido saturado e vapor
saturado de uma substância pura, eles terão a mesma pressão e temperatura, e neste caso, por se tratarem de
diferentes estados, as propriedades pressão e temperatura na condição de saturação não são propriedades
independentes.
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2.3 Equações de Estado para a fase vapor de uma substância compressível simples
A partir de observações experimentais foi estabelecido que o comportamento P-V-T dos gases a baixa
densidade é dado com bastante precisão pela seguinte equação de estado:
TRvP = (eq. 2.1)
onde v é o volume específico molar [m3/kmol]
R é a constante universal dos gases = 8,3144 kJ/ kmol K
Pode-se estabelecer ainda as seguintes relações: RTPv = (eq. 2.2)
ou mRTPV = (eq. 2.3)
onde R é a constante para um gás particular dado pela relação entre R e a massa molecular do gás
M, V é o volume total e m é a massa do sistema
A tabela 2.3 apresenta valores das constantes R para alguns gases.
Tabela 2.3 – Valores da constante R para algumas substâncias
Constante R [kJ/kg K]
ar 0,287 10
vapor d’água 0,461 52
oxigênio (O2) 0,259 83
Rearranjando a equação 2.3 conhecida também como Lei Geral dos Gases Perfeitos pode-se
estabelecer uma relação na qual as propriedades P-V-T associadas apresentam um valor constante para
qualquer estado termodinâmico.
T
PVRm = (eq. 2.4)
Como a massa no sistema permanece constante pode-se determinar as propriedades de um estado final
a partir das propriedades de um estado termodinâmico inicial, segundo:
tetanconsmRT
VP
T
VP
T
VP====
3
33
2
22
1
11 (eq. 2.5)
O uso destas relações e da equação geral dos gases ideais é bastante conveniente nos cálculos
termodinâmicos, devido a sua simplicidade. Entretanto, questões como ‘em qual faixa de densidade a
equação é valida com boa precisão?’ ou ‘quanto um gás ideal a uma dada pressão e temperatura desvia-se do
comportamento de um gás perfeito?’ são bastante frequentes e restringem o uso da equação 2.1.
11
Introduzindo o conceito de fator de compressibilidade Z, que é definido pela relação:
TR
vPZ = (eq. 2.6)
pode-se observar que para um gás perfeito, Z=1 e o desvio de Z em relação à unidade é uma medida do
desvio de comportamento real comparado à equação dos gases perfeitos. Para o gás nitrogênio, cujo fator de
compressibilidade Z é apresentado na figura 2.4, pode-se observar que quando a pressão tende a zero a
relação P, V e T aproxima-se bastante daquela observada pela equação de estado dos gases perfeitos, ou seja
Z tende a unidade. Para temperaturas superiores a 300K (isto é, condições de temperatura acima do
ambiente) o fator de compressibilidade é próximo da unidade até pressões de cerca de 10 MPa , e a equação
2.1 pode ser utilizada com precisão considerável, inclusive na determinação de propriedades para o ar.
Figura 2.4 – Compressibilidade para o gás nitrogênio
Para outros gases, o comportamento de Z, relativamente à temperatura e à pressão, é muito semelhante
ao do nitrogênio, pelo menos no sentido qualitativo. Para quantificar essa relação, dividimos a temperatura
pela temperatura crítica da substância, cujo resultado é chamado de temperatura reduzida Tr.
Analogamente, a pressão dividida pela pressão crítica é chamada de pressão reduzida Pr. Assim,
verifica-se que o diagrama de Z versus P, para vários valores de Tr, apresenta grande coincidência
quantitativa para diferentes gases, podendo ser generalizado um único diagrama de compressibilidade que
permite decidir em determinadas condições se é razoável admitir um modelo de comportamento de gás
perfeito.
• Exemplo 2.1: Qual a massa de ar contida em uma sala de 12m x 5m x 8m se a pressão é de 200kPa e a
temperatura 20ºC? Admitir que o ar seja um gás perfeito.
Solução: As condições permitem a utilização da equação 2.3, mRTPV =
Portanto, a partir do valor da constante para o ar R=0,287 kJ/kg K, tem-se:
kg,.,
.
RT
PVm 61141
2932870
480200===
12
• Exemplo 2.2: Um tanque tem um volume de 0,5 m3 e contém 20kg de um gás perfeito com peso
molecular igual a 32 kg/kmol. A temperatura é de 30ºC. Qual a pressão do gás?
Solução: Pela definição da constante do gás Kkg/kJ,kmol/kg
Kkmol/kJ,
M
RR 25980
31448===
Aplicando a equação 2.3:
50
3032598020
,
.,.
V
mRTP ==
2.4 Tabelas de Propriedades Termodinâmicas
Existem tabelas de propriedades termodinâmicas de muitas substâncias e, em geral, todas são
apresentadas da mesma maneira. Inicialmente veremos as tabelas de vapor d’água , uma vez que esta
substância é largamente empregada em instalações geradoras de energia e em processo industriais.
2.4.1 – Estado Saturado (Região de vapor Úmido)
Dois tipos de tabelas podem ser utilizadas para o estado saturado:
- Tabela de Temperatura: onde a coluna de temperatura varia com intervalos regulares e com a sua
respectiva pressão de saturação;
- Tabela de Pressão: onde a coluna de pressão varia com intervalos regulares e com a sua respectiva
temperatura de saturação.
Ambas as tabelas fornecem os volumes específicos do líquido saturado (vl) e do vapor saturado (vv).
Como na região de vapor úmido, as duas fases (líquido + vapor) estão presentes, é necessário conhecer
o título (x) para calcular o volume específico (v) numa determinada condição de temperatura ou pressão do
vapor úmido, a partir da seguinte equação:
vl xvv)x(v +−= 1 (eq. 2.7)
Com a diferença entre o volume específico da fase vapor e o da fase líquida vlv = vv – vl , tem-se:
lvl vxvv += (eq. 2.8)
- Exemplo 2.3: Calcular o volume específico da água no estado saturado (líquido + vapor) a 200ºC, com
título de 70%.
Solução: Da tabela de temperatura, em 200ºC tem-se vl = 0,001157 m3/kg e vv = 0,12736 m3/kg
Portanto, com o título igual a x = 0,70 na equação 2.7:
kg/m,,.,,.),(xvv)x(v vl3094990127360700001157070011 =+−=+−=
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• Exemplo 2.4: Um vaso de 0,4m3 de volume contém 2,0kg de uma mistura de água líquida e vapor em
equilíbrio a uma pressão de 600kPa. Calcular: o volume e a massa de líquido; o volume e a massa de vapor
Solução: A partir do volume total e da massa de água, é possível calcular o volume específico de água no
estado saturado
kg/m20,02
4,0
m
Vv 3===
A tabela de vapor d’água na pressão de 600kPa fornece vl= 0,001101m3/kg e vv = 0,3157m3kg, permitindo o
cálculo do título através da equação 2.8
v = vl + x.vlv = 0,20 = 0,001101 + x (0,3157 – 0,001101) ⇒ x = 0,6322 ou 63,22% de vapor
A massa de vapor pode ser calculada: kg2644,10,2.6322,0mm
mx v
v ==⇒=
E conseqüentemente a massa de líquido também: ml = m – mv = 2,0 – 1,2644 = 0,7356kg
Finalmente, calcula-se os volumes específicos das fases líquidas e vapor
3lll
l
ll m0008,07356,0.001101,0m.vV
m
Vv ===⇒=
3vvv
v
v m3992,02644,1.3157,0m.vVm
Vv ===⇒=
2.4.2 – Líquido comprimido e vapor superaquecido
Nessas regiões, não se define o título sendo bem mais simples a determinação de uma propriedade
qualquer. Na região de vapor superaquecido, a pressão e a temperatura são propriedades independentes, e
portanto, para cada pressão é fornecido um grande número de temperaturas, e para cada temperatura são
tabeladas quatro propriedades termodinâmicas, das quais a primeira geralmente é o volume específico do
vapor.
Muitas vezes também é necessário conhecer as propriedades da região de líquido comprimido, mas o
número de tabelas que fornecem informações desta região é bastante reduzido. Entretanto, como os líquidos
são muito pouco compressíveis, implicando em uma diminuição muito pequena no volume específico
durante o processo de compressão, é suficientemente admissível considerar o volume específico de um
líquido comprimido como sendo igual ao do líquido saturado a mesma temperatura. Considere por exemplo
1kg de água, no estado de líquido saturado a 100ºC. A pressão de saturação e seu volume específico são
0,1013MPa e 0,001044m3/kg, respectivamente. Se a pressão for elevada até 10MPa enquanto a temperatura
permanece constante por uma necessária transferência de calor, o volume específico sofre uma pequena
redução para 0,001039m3/kg, ou seja um erro de apenas 0,5%, que pode ser desprezado se forem feitas as
considerações de aproximação da condição de saturação.
14
• Exemplo 2.5: Determinar o volume específico d’água a 0,50MPa e 300ºC?
Solução: Torna-se fundamental determinar se este estado termodinâmico localiza-se na região de vapor
superaquecido ou líquido comprido. Das tabelas de vapor de d’água para a temperatura de 300ºC a pressão
de saturação correspondente é 8,581MPa. Portanto, trata-se de vapor superaquecido onde obtém-se
diretamente da tabela vv = 0,5226m3/kg
Freqüentemente, deseja-se determinar propriedades de água ou outra substância para temperatura e
pressões não constantes nas tabelas termodinâmicas. Nesta situação utiliza-se a técnica da interpolação para
se determinar as propriedade na temperatura e/ou na pressão desejada.
• Exemplo 2.6: Determinar o volume específico d’água no estado saturado a 32ºC com título de 30%.
Solução: Se recorrermos a tabela de vapor d’água, notaremos que na temperatura de 32ºC não há
propriedades termodinâmicas preditas. São encontrados valores de volumes específicos apenas nas
temperaturas de 30ºC e 35ºC, conforme registrado na tabela abaixo:
Temperatura [ºC] vl [m3/kg] vv [m
3/kg]
30 0,001004 32,89
32 vl vv
35 0,001006 25,22
Considerando uma variação linear do volume específico com a temperatura, pode-se por interpolação
determinar vl e vv (esta aproximação pode ser feita, uma vez que o erro implícito ao cálculo é pequeno
devido ao pequeno intervalo de interpolação). Assim:
89,3222,25
89,32v
001004,0001006,0
001004,0v
3035
3032 vl
−−
=−
−=
−−
obtendo-se: vl = 0,0010048 m3/kg e vv = 29,822 m3/kg
Finalmente, para um título de 30%, substituindo os valores na equação 2.8 determina-se o volume específico
da água nas condições especificadas: v = 8,9473m3/kg
2.4.3 – Tabelas termodinâmicas de outras substâncias
Assim como para o vapor d’água, também existem tabelas com as propriedades termodinâmicas de
outras substâncias, caso por exemplo dos refrigerantes. Essas substâncias são amplamente empregadas em
processos de envolvem a realização de trabalho e a troca de calor, portanto a determinação das propriedades
em um dado estado termodinâmico é sempre requerida.
Os principais refrigerantes são os hidrocarbonetos fluorados conhecidos comercialmente pelo nome de
FREONS. Dentre os principais refrigerantes fluorados destacam-se o R-12 (ou Freon-12), utilizado em
equipamentos de refrigeração doméstica e condicionadores de ar automotivos e o R-11 (ou Freon-11),
15
adequado para sistemas com compressores centrífugos. Recentemente, com a descoberta do potencial de
destruição da camada de ozônio que envolve a Terra, por esses refrigerantes, novos fluidos têm sido
desenvolvidos pela indústria no sentido de reduzir o impacto prejudicial ao meio ambiente e ao homem. O R-
134a é um desses novos refrigerantes, que por não possuir nenhuma molécula de cloro (átomo responsável
pela decomposição do ozônio) em sua estrutura química, vem sendo apontado como o principal substituto ao
R-12.
A par com a problemática do ozônio, mas nem por isso inofensivo, encontra-se a amônia. Esta
substância é utilizada freqüentemente em grandes instalações industriais de baixa temperatura, nos chamados
processos de refrigeração por absorção de vapor. Inflamável em uma mistura de 16 a 25% em volume com o
ar e altamente tóxica, a amônia reage com cobre, latão e outras ligas de cobre em presença de água sendo
requerido muito cuidado e técnicas especializadas no manejo, operação e condicionamento desse
refrigerante.
A utilização das tabelas das propriedades termodinâmicas dessas substâncias é idêntica a utilização das
tabelas de vapor d’água, destacando-se as regiões de saturação, líquido comprimido e vapor superaquecido.
Deve-se observar entretanto, que os valores de temperatura e pressão de saturação são bastante inferiores aos
anteriormente estudados para a água.
• Exemplo 2.7: Um vaso rígido contém vapor de amônia saturado a 20ºC. Transfere-se calor para o sistema
até que a temperatura atinja 40ºC. Qual a pressão final?
Solução: A transformação sofrida pelo vapor de amônia pode ser esquematizada através da passagem de um
estado 1 para um estado 2. O estado 1 está completamente definido: temperatura de 20ºC e vapor saturado
(x=1). Portanto, da tabela de vapor saturado para a amônia obtém-se v = vv = 0,1477 m3/kg.
Deve-se observar que a transformação ocorre em um vaso rígido, portanto, o volume não muda
durante o processo. Como a massa do sistema também permanece constante, o volume específico torna-se
invariável (v = 0,1477 = constante).
A tabela de vapor saturado na temperatura de 40ºC fornece vv = 0,0833m3/kg de amônia. Logo, fica
evidente que o vapor de amônia encontra-se superaquecido, pois v > vv (estado 2). Assim, na tabela de vapor
superaquecido, na temperatura de 40ºC, tem-se os seguintes dados de volume específico relacionados com a
pressão:
Volume específico [m3/kg] Pressão [kPa]
0,1388 1000
0,1477 P
0,1559 900
Através da interpolação linear, determina-se o valor da pressão final do processo.
kPaP,,
,,P938
1559013880
1559014770
9001000
900=⇒
−−
=−
−
16
2.5 – Misturas
Até o momento, as considerações feitas referiam-se às substâncias puras. Entretanto, um grande
número problemas termodinâmicos envolve misturas de diferentes substâncias puras. As misturas podem
ocorrer nos três diferentes estados, sendo particularmente importantes as misturas líquidas e gasosas.
Nas misturas gasosas, define-se a fração molar (yi) do componente i na fase gasosa como a relação
entre o número de moles do componente pelo número de moles totais:
n
ny i
i = (eq. 2.9)
De acordo com a Lei de Dalton, em uma mistura de gases perfeitos, a pressão total do sistema é
numericamente igual a soma das pressões parciais dos componentes da mistura. Conseqüentemente, a
pressão parcial de cada gás está relacionada com a pressão total através da fração molar da fase gasosa:
pi = yi . P (eq. 2.10)
A pressão parcial de um gás é determinada como se cada gás ocupasse sozinho todo o recipiente.
Neste caso, a partir das relações apresentadas é possível estabelecer a composição da mistura.
No entanto, uma mistura pode ocorrer em fases diferentes ao mesmo tempo. Neste caso, as relações
existentes entre temperaturas e concentrações de uma mistura binária homogênea para uma mesma pressão,
diferem da fase de vaporização para a fase de condensação.
Considere por exemplo, um cilindro provido de um êmbolo que contem uma solução líquida
homogênea. Essa solução é aquecida à pressão constante. Observa-se que até atingir uma temperatura t2, a
qual depende da concentração segundo o diagrama da figura 2.5, a solução permanecerá na fase líquida.
Figura 2.5 – Curvas de equilíbrio
Aumentando-se a temperatura além deste valor, o pistão começa a deslocar-se, indicando o início da
formação de vapor. Constata-se experimentalmente que as concentrações de líquido e vapor são diferentes da
17
concentração inicial, isto é, de acordo com a figura 2.5, a concentração do líquido x3 < x2, enquanto a
concentração de vapor x4 > x2.
Adicionando-se calor, as concentrações x3 e x4 decrescerão até que a vaporização se complete. Quando
não houver mais líquido, o vapor terá atingido o ponto 5 e a sua concentração será igual a da solução
original. A partir deste ponto, qualquer adição de calor ao sistema, provocará o superaquecimento do vapor,
mas a concentração do mesmo permanecerá constante.
Repetindo-se essa mesma experiência à mesma pressão, mas com concentrações diferentes, os
resultados obtidos permitirão desenhar as linhas de equilíbrio do sistema, tanto do líquido em vaporização,
quanto do vapor em condensação. A mesma experiência em pressões diferentes, gera famílias de curvas que
representam as linhas de condensação e vaporização da solução em diversas pressões.
Invertendo-se o processo, isto é partindo-se do vapor superaquecido e retirando calor do sistema,
observa-se que, ao atingir a temperatura t2, a qual depende exclusivamente da concentração, tem início a
condensação do vapor com formação de líquido de baixa concentração no fluido mais volátil, a qual
aumentará progressivamente até atingir no final da condensação, a concentração original do vapor.
Portanto, uma mistura binária homogênea, ao contrário das substâncias puras, não tem uma
temperatura fixa de vaporização e de condensação para cada pressão, pois além de apresentarem para cada
pressão uma temperatura de início de condensação diferente da temperatura de início de vaporização, estas
variam com a concentração. Tais características constituem a base para o estudo da chamada destilação
fracionada, cuja aplicação na técnica moderna está largamente difundida.
É interessante observar ainda que no caso de sistemas homogêneos (completamente miscíveis), o
vapor é sempre mais rico no componente mais volátil do que o líquido (condensado) à mesma temperatura.
Entretanto, algumas soluções podem apresentar azeótropos (pontos de azeotropia), isto é, pontos no diagrama
T,x para o qual a concentração do vapor é a mesma que a do líquido.
A utilização de diagramas do tipo temperatura-concentração ou entalpia-concentração é bastante útil
no estudo de sistema de refrigeração por absorção, que envolvem misturas do tipo amônia-água e água-
brometo de lítio. Além disto, os conceitos que estabelecem a determinação da composição de uma mistura,
bem como suas propriedades, são de fundamental importância no estudo de processos que envolvem reações
químicas e determinação das condições de equilíbrio químico.
18
Capítulo 3 - POSSIBILIDADES DE RECUPERAÇÃO DE CALOR RESIDUAL EM
ESTABELECIMENTOS
A recuperação de calor a partir de gases residuais (em turbinas a gás, máquinas a diesel, incineradores,
ar e gases aquecidos de processos como plantas metalúrgicas, indústrias químicas e outros) representa uma
importante oportunidade para o desenvolvimento de uma operação econômica. A integração energética
entre processos e a utilização de sistemas de recuperação de energia térmica constituem atualmente as bases
fundamentais do uso racional de energia, garantindo a preservação do meio ambiente e a busca do
desenvolvimento sustentável através da otimização dos recursos energéticos.
A atual vantagem econômica de qualquer forma de sistema de recuperação de calor depende da
disponibilidade e do custo do combustível, independentemente se este é um combustível fóssil ou alguma
forma material residual proveniente e disponível para uso como combustível.
No caso de materiais residuais, o custo de arrecadação, transporte e armazenagem também deve ser
considerado. Entretanto, o custo efetivo do aproveitamento desses resíduos pode ser vantajoso,
principalmente se a própria planta geradora utiliza-os para queima e recuperação de calor. Obviamente,
neste caso são os custos do equipamento de recuperação de energia e de operação que comandam a decisão
entre uma ou outra possibilidade.
O custo efetivo da recuperação de energia não fica condicionado exclusivamente ao aumento do custo
de combustível, mas deve considerar principalmente a aquisição e instalação do equipamento, que inclui
parcelas como investimento de capital, amortização, manutenção, custos operacionais, taxas, seguros e
qualquer outra fator envolvendo a operação do equipamento. Deste modo, toma-se necessário conhecer as
alternativas viáveis e elaborar um amplo estudo técnico-econômico objetivando melhores condições
operacionais que se traduzem em lucro garantido.
Existem várias maneiras de se recuperar a energia térmica liberada em alguns processos de
transferência de calor. A seleção do modo de recuperação do calor depende das características de aplicação,
dos processos utilizados e da necessidade de economia para um dado serviço. Como exemplo, podemos citar
alguns processos que apresentam potencial caracterização para a recuperação de calor residual:
• um compressor de gás natural associado a uma turbina a gás é ordinariamente, em locais remotos, um
sistema que apresenta elevado potencial de recuperação de calor. O fato de não requerer água quente, vapor
ou outro fluido de aquecimento facilita o controle automática, podendo ser um sistema utilizado com grande
vantagem para reduzir a taxa de combustível na turbina;
• um incinerador de resíduos utilizado para eliminar hidrocarbonetos através de fluxos de gases de
exaustão, localizado onde geração de vapor não é requerido. pode ser usado como um sistema de recuperação
gás-ar para aumentar a eficiência do queimador.
19
• uma turbina a gás associada a um alternador e instalada em shopping-center, hospital, escola ou e
outro local comercial ou pequeno campo industrial como parte de um sistema energético local, permite
efetivamente que o calor residual de exaustão possa ser recuperado na forma de temperatura para aquecer
água ou gerar vapor a baixa pressão, além de condicionamento de ar através de chillers de absorção;
• algumas indústrias químicas, em especial as que fabricam polímeros e plásticos, produzem uma
substancial quantidade de líquido residual contendo material combustível. Por outro lado, essas plantas
também são consumidoras de fluidos orgânicos aquecidos para transferir calor à produção garantindo um
retomo aquecido, alimentação de caldeiras e diversos sistemas de trocadores de calor contínuo. Assim. pode-
se tomar bastante econômico queimar o líquido residual em um incinerador e recuperar o calor como fluido
aquecido em recuperadores de fase líquida.
• turbinas a gás são comuns em plataformas marítimas de refino de petróleo. Essas turbinas associadas a
geradores provém potência elétrica para abastecer a plataforma, enquanto os gases de exaustão podem ser
utilizados para aquecer fluidos orgânicos com etileno glicol, preaquecendo os quartos da tripulação. além de
transferir calor para aquecer o óleo cru a ser processado.
Recentemente, processos de cogeração que consistem na geração de energia térmica como produto
primário e na geração simultânea de potência elétrica (e ou mecânica) como fonte de aproveitamento de calor
residual através de motores de combustão interna e turbinas a gás, vêm sendo amplamente difundidos nos
países desenvolvidos.
Conforme veremos nos capítulos seguintes, a potência elétrica gerada pode ser utilizada para suprir
deficiência da unidade geradora, ou mesmo vendida a rede de energia elétrica pública quando gerada a uma
taxa excessiva.
A economia dos sistemas de cogeração fundamenta-se na idealidade de toda energia gerada, seja ela
térmica ou elétrica, e na utilização em sua taxa máxima durante todo o período de geração. Algumas das
vantagens desses sistemas são: permitir alta flexibilidade com relação a escala para aplicações locais críticas;
reduzir as distâncias de transmissão de energia; garantir consideráveis oportunidades para retrofit e
manutenções; aumentar a potencial conservação de energia; possibilitar uma pequena modificação
regulatória ou médios investimentos em inovação tecnológica e implementação, e principalmente ampliar o
campo de utilização de combustíveis alternativos como gás natural, gases industriais, resíduos sólidos e/ou
líquido, biogás, etc., garantido a recuperação da energia térmica e possibilitando reduzir o potencial de
agressão ao meio ambiente.
As várias formas de recuperação de calor em sistemas de cogeração são fundamentadas em reais
possibilidades que garantam atingir as metas especificados com substancial economia para o processo.
Dentre elas, as principais envolvem a recuperação do calor residual utilizando sistemas gás-ar e gás-água.
20
3.1- Recuperação de calor Gás-Ar
Trocadores de calor gás-ar são comumente utilizados como recuperadores do calor de combustão do ar
ou de gases aquecidos empregados no processo em trabalho. Este modo de recuperação do calor é usado
quando não há aplicação para trocadores de calor ar-líquido ou geração de vapor. Muito freqüentemente,
entretanto, um aquecedor de ar ou recuperador é usado em evaporadores de alta pressão, enquanto há o
aquecimento da mistura ar-combustível na câmara de combustão.
Recuperadores são também utilizados em ciclos de turbinas a gás onde o ar aquecido de exaustão da
turbina que deixa os estágios de compressão, é direcionado para a câmara de combustão.
Geralmente. um recuperador ar-ar ou ar-gás é bastante econômico quando dimensionado para operar nas
condições de ótimas de eficiência.
Materiais de construção para esses trocadores irão depender da pressão e temperatura de operação.
Entretanto, como em muitos casos a pressão de operação é próxima da atmosférica como em recuperadores
para evaporação ou incineradores, torna-se essencial fundamentar o projeto na análise da temperatura dos
gases prevenindo eventuais problemas como corrosão.
3.2 - Recuperação de calor Gás-Água
O meio mais popular de transferência de calor é ainda o vapor, devido a alta possibilidade de
condução de energia térmica por unidade de peso, consistindo de calor sensível e latente. Assim, os sistemas
de troca de calor fundamentados no vapor d'água possibilitam reduzidos custos de manutenção, onde o
mínimo tratamento da água é requerido. O equipamento de evaporação é dimensionado de acordo com a
demanda do pico de operação, permitindo assim adequar convenientemente os sistemas de troca de calor de
acordo com a necessidade operacional da planta.
Sistemas Gás-Água são utilizados quando a recuperação de calor deve ser bastante eficiente. Isto é.
em sistemas que exigem temperatura altas (acima de 200ºC) para água quente ou temperaturas médias (entre
100 e l40ºC) como em equipamentos de ar condicionado por absorção. Os gases utilizados nesta aplicação
de troca de calor provém usualmente da exaustão de turbinas a gás, sendo utilizados como sistema energético
para alimentar um alternador ou um compressor de refrigeração mecânica, promovendo adicional
refrigeração. As temperatura dos gases de exaustão variam na faixa de 400 a 550ºC e portanto, nenhum
material em especial deve ser requerido nas seções de troca de calor.
A utilização racional da energia residual aplicando este tipo de trocador de calor pode gerar potência,
iluminação, aquecimento e refrigeração para pequenos pontos comerciais como hotéis, shopping-centers ou
hospitais, tornando o processo bastante econômico, uma vez que permite que a turbina a gás opere próxima
de sua condição máxima. Sistemas energéticos que utilizam esse modo de recuperação de calor são
largamente utilizados em plantas de cogeração, conforme será visto nos próximos capítulos em alguns
exemplos de aplicação.
21
Capítulo 4 - TECNOLOGIAS DE COGERAÇÃO
Cogeração é um método efetivo de conservação de energia primária, que pode ser aplicado quando
economicamente justificado. O termo cogeração é usualmente empregado para designar a geração simultânea
de calor e potência (mecânica ou elétrica) em instalações do setor industrial e terciário. Evidentemente, a
racionalidade da cogeração comporta visões distintas, de acordo com a aplicação a que se destina.
Em plantas termelétricas convencionais, geralmente a energia elétrica ou mecânica é produzida com
uma eficiência global (razão entre a energia útil produzida e a energia suprida no combustível) na faixa de
34% a 50%. Um fato que contribui para isto é a grande quantidade de calor rejeitado para a atmosfera,
através de torres de resfriamento e lagos ou rios.
Diferentemente. em plantas de cogeração, calor útil e potência elétrica ou mecânica são produzidos a
partir da queima de um único combustível, com a recuperação de parte do calor rejeitado. Deste modo, a
eficiência global desta modalidade de planta atinge valores entre 50% e 90%, dependendo da tecnologia
empregada, bem como da aplicação.
4.1 - Formas de Cogeração
As tecnologias de cogeração podem ser agrupadas em dois grandes grupos, de acordo com a ordem
relativa de geração de potência e calor. Tem-se, assim, os ciclos "bottoming" e os ciclos "topping". No caso
de sistema de cogeração para produzir eletricidade, qualquer que seja o ciclo utilizado, o gerador elétrico
pode ser síncrono ou assíncrono. A escolha entre eles depende do modo de trabalho: se o sistema é
interligado com a rede local, o gerador elétrico assíncrono é utilizado, e em caso contrário, o síncrono é o
utilizado.
4.1.1 - Ciclos "bottoming"
As tecnologias que operam segundo o ciclo "bottoming" envolvem a recuperação direta de calor
residual, que normalmente é descarregado na atmosfera, para a produção de vapor e energia mecânica ou
elétrica (em turbinas de condensação e/ou de contrapressão). Neste tipo de tecnologia, primeiro a energia
térmica é usada no processo, e então o calor de exaustão é utilizado para a produção de energia elétrica ou
mecânica.
As tecnologias "bottoming" são mais adequadas para as instalações industriais onde existem grandes
quantidades de fluxos residuais disponíveis em níveis de temperatura superiores a 350ºC, segundo Petrecca
(l993). Nessas instalações se enquadram as indústrias químicas metalúrgicas, de vidro, cimento e outras.
São possíveis ciclos "bottoming" de cogeração utilizando turbina a vapor e turbinas a gás. A figura
4.1 ilustra um sistema de cogeração em ciclo "bottoming" utilizando turbina a vapor. Neste exemplo, a
injeção suplementar de vapor na turbina a vapor garante maior flexibilidade na geração de potência.
22
Figura 4.1 - Cogeração com turbina a vapor (ciclo "bottoming")
A utilização de turbinas a gás em ciclos "bottoming" pode se dar com o aproveitamento direto do fluxo
dos gases de exaustão, o que é inviável quando houver risco da presença de materiais abrasivos ou corrosivos
junto aos gases. Neste caso pode ser utilizado um trocador de calor gás-gás, solução de maior custo de
capital.
A fim de contornar o problema da baixa geração de potência em sistemas com turbinas a vapor, devido
ao baixo nível de temperatura disponível, além da possibilidade de injeção suplementar de vapor mostrada na
figura 4.1, existe a tendência futura de utilização de fluidos orgânicos em substituição à água. o que permite
o aproveitamento de calor residual a temperaturas de até 260 "C, conforme discutido por Bajay e Walter
(1989).
4.1.2 - Ciclos "topping'
Nas tecnologias de cogeração que operam segundo ciclos "topping", fluxos de calor a uma temperatura
mais elevada são utilizados na geração de eletricidade ou energia mecânica. O calor rejeitado pelo sistema
de geração de potência é utilizado para atender os requisitos de energia térmica do processo, ou seja, esta
modalidade de cogeração produz energia elétrica ou mecânica para depois recuperar calor que é fornecido
geralmente na forma de vapor para o processo (podendo também fornecer água quente ou fria e ar quente ou
frio).
São possíveis ciclos "topping" de cogeração utilizando turbinas a vapor, turbinas a gás e motores de
combustão interna (ciclo diesel ou ciclo Otto).
4.1.2.1 - Tecnologias com turbina a vapor (“topping”)
O emprego de turbinas a vapor constitui-se na opção tecnológica mais difundida para as instalações
industriais. Dependendo da quantidade e qualidade da demanda de vapor e de outros fatores operacionais do
processo industrial, existem várias opções de turbinas a vapor disponíveis para sistemas de cogeração. A
figura 4.2 ilustra alguns dos tipos de turbinas a vapor mais utilizados.
23
As turbinas a vapor empregadas em cogeração podem ser de extração/condensação ou de
contrapressão. Apesar das turbinas de extração/condensação apresentarem menores eficiências, existem
alguns pontos vantajosos em sua utilização em relação as de contrapressão. As primeiras possibilitam um
bom atendimento da demanda de energia elétrica, e são utilizadas em unidades em que as necessidades de
vapor podem variar muito ou em plantas industriais onde a interrupção do fornecimento de eletricidade deve
ser evitada.
Figura 4.2 - Tipos mais comuns de turbinas a vapor utilizadas em cogeração, (a) contrapressão, (b)
contrapressão com 1 extração, (c) Condensação com 2 extrações
As figuras 4.3 e 4.4 ilustram ciclos de cogeração com turbinas a vapor típicos da indústria sucro-
alcooleira e de papel e celulose, respectivamente, mostrando que a escolha do tipo de turbina depende
também da aplicação a que se destina o sistema.
Petrecca (1993) relata que vapor a pressões na faixa de 10 a 110 kgf/cm2 produzido em geradores
convencionais de vapor, é utilizado no acionamento da turbina a vapor para a geração de potência; vapor de
escape na faixa de 2 a 20 kgf/cm2 é empregado como calor de processo.
Figura 4.3 - Cogeração para uma indústria sucro-alcooleira
24
Figura 4.4 – Cogeração para uma indústria de papel e celulose
A tabela 4.1 mostra valores típicos de performance de sistemas de cogeração empregando turbina a
vapor (P – potência; dh – queda entálpica; nisot – eficiência de expansão ou isoentrópica; TPV – taxa de
produção de vapor).
Tabela 4.1 – Eficiência isoentrópica e taxa de produção de vapor
para sistemas de cogeração utilizando turbinas a vapor
Tipo de unidade P [MW] dh [kJ/kg] nisot [%] TPV [kg/kWh]
Contrapressão:
- Simples estágio
- Múltiplo estágio
0,1 – 1
1 – 5
5 – 25
515,36
515,36
515,36
40 – 50
65 – 75
75 – 80
18,4 – 14,7
11,3 – 9,8
9,8 – 9,2
Condensação:
- Simples estágio
- Múltiplo estágio
0,1 – 1
3 – 20
20 – 50
1320,58
1320,58
1320,58
40 – 50
70 – 76
76 – 80
7,2 – 5,7
4,1 – 3,8
3,8 – 3,6
Nota: Contrapressão: Pressão vapor na entrada = 4,137 MPa
Pressão vapor na saída = 0,345 MPa
Condensação: Pressão vapor na entrada = 9,998 MPa
Pressão vapor na saída = 0,103 MPa
25
A figura 4.5 mostra a comparação entre os diagramas de Sankey típicos de uma central termelétrica a
vapor e de um sistema de cogeração empregando turbina a vapor de contrapressão. Petrecca (1993) relata
que são necessários cerca de 10 Ton/h de vapor para produzir 1 MW de potência elétrica, considerando uma
queda de pressão na expansão de 40 kgf/cm2.
Figura 4.5 - Balanço de energia para planta termelétrica e para planta de cogeração utilizando
turbina a vapor de contrapressão
4.1.2.2 - Cogeração com turbinas a gás (Ciclo "topping")
Sistemas de cogeração utilizando turbinas a gás associadas à caldeiras de recuperação de calor residual
para a produção de vapor ou utilizando os gases de exaustão diretamente para sistemas tais como secagem e
ciclos de absorção são outras modalidades de plantas operando no ciclo "topping". Para a geração de
potência mecânica ou elétrica existe uma gama de disponibilidades de turbinas a gás no mercado, cujas
capacidades variam entre alguns centos de kW até alguns centos de MW.
As capacidades das turbinas a gás industriais variam entre 1 MW e 200 MW, sendo que para as
aeroderivativas, esta faixa se estreita entre 2 MW e 40 MW. A velocidade de rotação dessas máquinas varia
de 3.000 a 3.600 r/min para as maiores de 20 MW e de 5.000 a 28.000 r/min para as de menores potências,
sendo que existem disponíveis no mercado máquinas com potências de eixo menores do que 4 MW com
rotação entre 1500 e 1800 r/min.
Plantas de turbinas a gás podem operar em ciclo aberto ou fechado. como é mostrado na figura 4.6.
Figura 4.6 - Ciclo Brayton para turbinas a gás: (a)Aberto e (b) Fechado
26
Para o caso de um sistema de turbina a gás em ciclo fechado, é permitido, em princípio, a utilização de
qualquer gás como fluido de trabalho. Entretanto, existem várias soluções de compromisso entre o custo da
turbina e os custos dos componentes de troca de calor, que determinam a opção por gases de baixo ou alto
peso molecular. Os mais comumente utilizados são o argônio, hélio e ar. Um alto peso molecular (caso do
argônio) implica numa redução do tamanho da turbina, mas requer trocadores de calor maiores. No caso da
utilização do hélio como fluido de trabalho, as turbinas são maiores. mas os trocadores menores, devido ao
alto calor específico desse gás. De acordo com Najjar e Zaamout (1992), para o caso de utilização do ar
como fluido de trabalho, existe a vantagem da redução de complicações mecânicas no sistema.
A figura 4.7 mostra um esquema simplificado de sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo
fechado para a produção de água quente.
Figura 4.7 - Cogeração com turbina a gás em ciclo fechado
Um sistema de turbina a gás em ciclo fechado não tem emissão de gases. Toda emissão é devido a
fonte de calor utilizada, que é determinada pelo tipo de combustível utilizado, e não pelo tamanho da turbina.
Segundo Najjar e Zaamout (1992), a eficiência global de um sistema de cogeração utilizando turbina a gás
em ciclo fechado para a produção de água quente varia entre 50 e 63 % para taxas de compressão entre 2 e 6,
respectivamente. Evidentemente. maiores taxas de compressão implicam em maiores eficiências.
Para o caso de sistema de cogeração em ciclo aberto, tecnologia já bem conhecida, o fluido de trabalho
são os gases oriundos da combustão, cujos componentes dependem do tipo de combustível empregado e do
ar atmosférico utilizado na queima.
A eficiência global de um sistema de cogeração utilizando turbina a gás em ciclo aberto, razão entre a
potência útil produzida (elétrica ou mecânica + calor) e a potência suprida pelo combustível varia entre 65 e
80%, dependendo do nível de energia térmica requerido no processo e da temperatura dos gases lançados na
atmosfera.
O combustível mais apropriado para este tipo de sistema de cogeração é o gás natural, que possui uma
alta densidade energética e boa eficiência de combustão, além de ser um combustível menos poluente. A
figura 4.8 apresenta um esquema representativo de um sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo
aberto simples.
27
Figura 4.8 – Sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo aberto
A tabela 4.2 mostra alguns valores típicos de parâmetros operacionais para um sistema de cogeração com
turbina a gás em ciclo aberto analisados por Petrecca (1993) (mg – consumo de gás natural; mar – vazão de ar; Ec
– calor recuperado; Ep – Eletricidade produzida; nG – eficiência global; nge – eficiência de geração de energia).
Tabela 4.2 – Parâmetros técnicos para sistemas de cogeração utilizando turbinas a gás
Potência
[103 kW]
mg
[10-2 m3/s]
mar
[m3/s]
Ec
[103 kW]
Ep
[103 kW]
nG
[%]
nge
[%]
0,615
102540
100
9,115,360,7
100,4246,8388,4971,1
4,16,8
27,144,9
110,4173,8434,4
1,62,6
10,517,442,767,3
168,1
0,570,954,759,50
23,7538,0095,00
69,969,574,479,479,980,480,4
19,419,024,029,029,530,030,3
Nota: 1) Valor razão ar/combustível = 452) Relação de pressão = 63) Temperatura dos gases de exaustão da turbina = 450ºC4) Temperatura dos gases lançados na atmosfera = 150ºC
A figura 4.9 apresenta um exemplo de ciclo combinado. Estes ciclos são formados por turbina a gás em
ciclo aberto, associados em série com caldeiras de recuperação, nas quais é gerado vapor a alta ou média pressão,
sendo que este é expandido numa turbina a vapor de contrapressão e o vapor de escape é utilizado como calor de
processo, podendo também ser usados para capacidades maiores de 20 MW.
Figura 4.9 - Ciclo combinado
28
Esquematicamente na figura 4.10 é apresentada a comparação entre os diagramas de Sankey para uma
planta termelétrica utilizando turbina a gás e para um sistema de cogeração com turbina a gás em ciclo
simples, ambos utilizando ciclo aberto.
Figura 4. 10 - Balanço de energia para uma planta termelétrica com turbina a gás e para um
sistema de cogeração equivalente
4.1.2.3 - Cogeração com Motores Alternativos (“topping”)
Sistemas de cogeração utilizando motores de combustão interna associados a geradores elétricos ou
compressores e a trocadores de calor para a recuperação de calor residual (dos gases de escape, da água de
refrigeração e até do óleo lubrificante) para fins térmicos (produção de vapor saturado, água quente ou fria,
ar quente ou frio) são também modalidades eficientes de plantas operando em ciclos "topping". Para a
geração de potência elétrica existe uma grande disponibilidade de motores em ciclo Otto ou Diesel no
mercado, cujas capacidades variam entre 10 kW a alguns MW. Os motores em ciclo diesel operam com
rotações entre 100 e 1800 r/min e os motores em ciclo Otto na faixa de 1000 a 3000 r/min, dependendo do
tamanho e das características técnicas do sistema (Packer e Woodworth, 1991).
Esta tecnologia apresenta rendimento térmico superior as demais, entretanto apresenta também graves
restrições associadas com a recuperação de calor, face aos baixos níveis de temperatura. Por exemplo, Bajay
e Walter (l989) apresentam temperaturas dos gases de exaustão na faixa de 340ºC a 560ºC. Isso limita os
motores em cogeração aos casos em que o processo requer grandes quantidades de calor a baixas
temperaturas. Esses sistemas têm sido utilizados de maneira mais disseminada no setor terciário e em
pequenas indústrias.
O emprego de motores alternativos de combustão interna, de ciclo Otto ou Diesel, em sistemas
compactos de cogeração tem sido ampliado com o aproveitamento do fluxo de calor residual em sistemas de
refrigeração por absorção. Esta possibilidade tem sido empregada com sucesso em supermercados, bancos,
centros de pesquisa e até mesmo em ônibus urbanos e interurbanos na Europa.
Geralmente, os sistemas menores que 100 kW, em ciclo Otto queimando combustíveis gasosos,
derivam de motores automotivos, que são grandemente utilizados. Green (1990) estabelece que os sistemas
utilizando motores em ciclo Otto podem ser projetados para capacidades máximas de 2 MW. Nesta
capacidade, Nash (l988) afirma que estes sistemas são igualmente competitivos com os sistemas que utilizam
29
ciclo Diesel, principalmente em termos de custos, podendo possuir capacidade máxima de 10 MW e em
circunstâncias apropriadas, serem projetados para até 20 MW (caso de média e baixa velocidade).
A figura 4.11 mostra um sistema de cogeração utilizando motor diesel. Nessa instalação é possível
gerar vapor em baixas pressões (0,3 a 1 MPa) e ainda produzir água quente com temperatura entre 70 e 90ºC.
Figura 4.11 - Cogeração com motor diesel
Na figura 4.12 pode-se observar o fluxo de energia para uma motor diesel produzindo apenas potência
de eixo comparativamente a um sistema de cogeração utilizando motor diesel.
Figura 4.12 - Balanço de energia (a) motor diesel (b) cogeração
Valores típicos, no caso do uso do gás natural são 345 m3/h (3300 kW) para produzir 1000 kW de
potência elétrica e 1750 kW de calor recuperado. A tabela 4.3 mostra parâmetros operacionais para um
sistema de cogeração com o uso de motor diesel queimando gás natural.
30
Tabela 4.3 – Parâmetros técnicos para sistemas de cogeração utilizando
motores diesel queimando gás natural
Potência
[103 kW]
mg
[10-2 m3/s]
mar
[m3/s]
Ec
[103 kW]
Ep
[103 kW]
nG
[%]
Nge
[%]
0,25
1
5
10
25
40
100
2,4
9,3
46,5
91,0
227,6
364,2
910,4
0,4
1,4
7,0
13,7
34,1
54,6
136,6
0,4
1,6
7,8
15,3
38,1
61,0
152,6
0,24
0,95
4,75
9,50
23,75
38,00
95,00
78,83
80,14
80,14
80,83
80,83
80,83
80,83
30,00
31,30
31,30
32,00
32,00
32,00
32,00Nota: 1) Valor razão ar/combustível = 15
4.2 - Adequação de Tecnologias
Entre os setores potencialmente viáveis a implantação de sistemas de cogeração estão o setor industrial
e o setor terciário. O setor industrial envolve grandes quantidades de energia térmica relativamente à
demanda elétrica. O setor terciário envolve segmentos tais como hospitais- hotéis, motéis, universidades,
escolas shopping-centers, restaurantes, empresas de pequeno porte, entre outros. Esses segmentos
apresentam requerimentos térmicos em menor escala, quando comparado ao setor industrial.
Obviamente nem todas as tecnologias de cogeração mostradas no item anterior são aplicáveis a
qualquer segmento, quer seja do setor industrial, quer seja do setor terciário. Assim, deve se estabelecer
critérios de escolha das tecnologias em função da aplicação a que se destina, de modo a viabilizar técnica e
economicamente a instalação.
Dentre o conjunto de opções tecnicamente viáveis, a escolha da tecnologia mais adequada para uma
determinada aplicação deve ser feita de forma cuidadosa, estabelecendo critérios quanto aos aspectos a serem
considerados.
Um aspecto de grande importância é a verificação da disponibilidade de combustíveis adequados às
tecnologias a um custo relativamente baixo. Outro aspecto importante é referente aos impactos ambientais
associados a implementação de uma dada tecnologia. Os aspectos relativos aos custos de investimentos
necessários, bem como os gastos com operação e manutenção dos sistemas são também bastante relevantes.
O ponto crucial para escolher a tecnologia adequada a um determinado segmento industrial ou
terciário é relacionar as características de consumo de energia do segmento com as características de
produção de energia do cogerador. Deve-se então recorrer a dois parâmetros adimensionais: um para
31
caracterizar o segmento (industrial ou terciário) onde se deseja instalar a tecnologia de cogeração e outro
para caracterizar o sistema escolhido.
4.2.1 – Caracterização do segmento industrial ou terciário
Tanto os segmentos do setor industrial como os do setor terciário podem ser caracterizados, do ponto de
vista da demanda energética associada, como consumidores de energia elétrica ou mecânica e de energia térmica.
Baseado nesse fato, é possível definir o parâmetro adimensional ALFA, característico de cada segmento com
variações em função do tipo de tecnologia empregada. O esquema apresentado na figura 4.13 ajuda a esclarecer o
parâmetro adimensional ALFA.
Figura 4.13 – Caracterização do segmento industrial ou terciário
Define-se a relação:
ALFA = E/S (eq. 4.1)
onde:
E – Energia elétrica e/ou mecânica consumida no segmento [kW]
S – Energia térmica consumida no segmento [kW]
Para ilustrar a variação deste parâmetro ALFA, as tabelas 4.4 e 4.5 apresentam alguns valores para
diversos segmentos do setor industrial e terciário, respectivamente.
Tabela 4.4 – Valores de ALFA para alguns segmentos do setor industrial
Setor Industrial ALFA
Cerâmica
Papel e Celulose
Têxtil
Alimentos e Bebidas
Açúcar e Álcool
0,048
0,023
0,043
0,070
0,090Fonte: Nogueira e Santos (1987); Luengo et al. (1992)
32
Tabela 4.5 – Valores de ALFA para alguns segmentos do setor terciário
Setor Terciário ALFA
Hospitais
Hotéis/Motéis
Restaurantes
Universidades
Lojas de varejo
0,500
0,600
0,600
0,600
4,300Fonte: Nogueira e Santos (1987); Luengo et al. (1992)
Deve-se acentuar o fato de que os valores de ALFA nas tabelas anteriores são indicativos,
representando a média de cada segmento industrial ou terciário, os quais seguramente apresentam variações
de empresa para empresa.
4.2.2 - Caracterização do sistema de cogeração
Analogamente à caracterização do segmento industrial ou terciário, o sistema de cogeração pode ser
esquematizado em função dos fluxos energéticos associados. de modo a permitir a sua caracterização através
de uma parâmetro adimensional BETA. A figura 4.14 ilustra este conceito.
Figura 4.14 – Caracterização do sistema de cogeração
Define-se:
BETA = E’/S’ (eq. 4.2)
onde:
E' - Energia elétrica e/ou mecânica produzida [kW]
S' - Energia térmica produzida [kW]
O valor de BETA depende do tipo de tecnologia de cogeração utilizada e das condições de operação.
Segundo Kovacik (1982), o valor de BETA varia entre 0,08 a 0,26 para as tecnologias com turbinas a vapor,
entre 0,48 a 0,77 para as de turbinas a gás e entre 0,60 a 1,09 para as de ciclo combinado. Evans (l993)
reporta valores entre 0,4 a 1,0 para as tecnologias utilizando motores de combustão interna (ciclo Otto ou
Diesel). Estudos realizados por Pak e Suzuki (l990), sobre os valores de BETA para sistemas de cogeração
com turbinas a gás mostram existir uma grande flexibilidade com relação ao valor deste parâmetro.
principalmente em função de modificações possíveis nesses sistemas.
33
Capítulo 5 - MODOS DE OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO
Uma vez conhecidas as possíveis tecnologias para implantação de sistemas de cogeração, torna-se
necessário estabelecer regras e definir os modos de operação destes sistemas. O modo de operação é
definido como sendo o caminho no qual o sistema de cogeração deve operar de maneira a assegurar a
viabilidade da instalação e a utilização racional da energia no processo. Assim, fatores técnicos e
econômicos devem ser correlacionados com o modo de operação escolhido, para completar a validade da
avaliação de implantação de um sistema de cogeração em um determinado estabelecimento do segmento
industrial ou terciário.
Os principais fatores que pesam sobre o modo de operação e que devem ser considerados num projeto
de cogeração são:
- a necessidade de existir uma consistência entre as características de demanda do estabelecimento
(eletricidade, calor e combustível) e as características de capacidade de produção de eletricidade e
de recuperação de calor do sistema de cogeração escolhido;
- o perfil da demanda térmica, incluindo níveis de temperatura e as flutuações típicas da demanda
(diária, mensal e anual). O nível de temperatura deve ser consistente com o nível de calor rejeitado
do sistema de cogeração escolhido;
- o perfil da demanda elétrica e suas flutuações características;
- o custo presente do combustível e da eletricidade comprada e a projeção desses custos para o
futuro;
- a capacidade da planta para as necessidades presentes e futuras do estabelecimento;
- o custo de operação da planta;
- os aspectos ambientais.
Muitos caminhos para a operação de um sistema de cogeração podem ser seguidos de acordo com o
tipo e a capacidade do sistema. Contudo, para assegurar a maior eficiência do sistema, a recuperação do
calor rejeitado deve ser a maior possível, na condição de operação da planta de cogeração. Uma planta de
calor adicional satisfará os requerimentos do usuário se sua necessidade for maior do que o calor recuperado.
Dependendo do estabelecimento (industrial ou terciário), esta restrição pode ser mais ou menos importante
na determinação da capacidade da planta e no modo de operação desta.
O modo de operação ideal seria aquele onde houvesse equilíbrio (ALFA = BETA) e o sistema de
cogeração operasse no ponto energeticamente recomendável, sem excedentes e déficits, ou seja, buscando
simultaneamente a geração de potência e o fornecimento de calor (E = E' e S = S'). Esse modo de operação é
praticamente impossível, já que no processo real de uma instalação (industrial ou terciárlo) não existem
demandas regulares e uniformes, mas bastante variáveis. Então, seja por questões de margem de segurança,
ou por contingências e irregularidades, o sistema de cogeração deve ser capaz de enfrentar tais desequilíbrios
(ALFA não é igual a BETA). Desse modo, um sistema de cogeração deve operar sempre em torno de um
ponto médio da demanda.
34
Cabe, então, impor no projeto a escolha do modo de operação, em função da supremacia de uma
modalidade de energia (energia elétrica ou mecânica e calor) sobre a outra, de modo a decidir qual será o
produto principal entre estas modalidades, de acordo com os objetivos da instalação do sistema de cogeração.
Desse modo, existem basicamente 3 estratégias normais de operação para o projeto de um sistema de
cogeração:
_ Operação em paridade térmica;
_ Operação em paridade elétrica;
_ Operação econômica.
Existe ainda um quarto modo de operação, que pode ser economicamente conveniente em situações
excepcionais, denominado:
_ Operação em cargas parciais.
5.1 - Operação em paridade térmica
Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é projetado para ser capaz de produzir os
requerimentos térmicos em cada período de tempo considerado, de maneira que o calor é o produto principal
e a eletricidade é um subproduto da cogeração.
O sistema deve ser conectado a rede da concessionária, de modo a propiciar a venda de eletricidade
excedente ou a compra de eletricidade adicional para o caso de déficit, dependendo dos perfis de demandas
do estabelecimento e das condições operacionais.
5.2 - Operação em paridade elétrica
Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é projetado para ser capaz de produzir os
requerimentos elétricos em cada período de tempo considerado (pico ou base), de maneira que a eletricidade
é o produto principal e o calor é um subproduto da cogeração.
Se o calor produzido é insuficiente para satisfazer as necessidades do estabelecimento, um sistema
auxiliar é acionado para produzir esta diferença. Em caso contrário, parte do calor produzido no sistema de
cogeração é rejeitado para o ambiente.
5.3 - Operação econômica
A operação econômica consiste em deixar o sistema de cogeração operando governado por fatores
econômicos. Assim, o sistema opera nas opções de suprir parte, totalidade ou ainda produzir excedente da
demanda elétrica de pico, conforme a eletricidade é adquirida ou vendida sob uma tarifa mais elevada.
Assim, o empresário cogerador pode optar pela compra de eletricidade da concessionária para completar o
seu suprimento, ou se for o caso, vender o excedente. O estabelecimento deve utilizar um equipamento
suplementar para satisfazer parte ou a totalidade da sua demanda térmica, quando necessário, dependendo
das condições operacionais da planta de cogeração.
35
5.4 - Operação em cargas parciais
Nesse modo de operação, o sistema de cogeração é subdimensionado em relação aos seus
requerimentos de eletricidade e calor de processo, atendendo cargas parciais destas modalidades de energia.
A figura 5.1 mostra um exemplo ilustrativo deste modo de operação. O sistema de cogeração não
supre as demandas de eletricidade e de calor, e no caso deve comprar parte da eletricidade da concessionária
e utilizar equipamento suplementar para completar as necessidades de calor.
Figura 5.1 - Operação em cargas parciais
5.5 - Tecnologias Aplicáveis ao Setor Terciário
Dentro do exposto até aqui, e em função do nível de capacidade requerido para sistemas de cogeração
de estabelecimentos do setor terciário, pode-se observar que existem, a princípio, basicamente três tipos de
tecnologias aplicáveis a esse setor: as pequenas turbinas a vapor. as pequenas turbinas a gás e os motores de
combustão interna.
Sistemas de cogeração utilizando pequenas turbinas a vapor apresentam um alto custo capital e uma
baixa razão entre a eletricidade e o calor produzido, além de geralmente utilizarem combustíveis mais
poluentes, o que, sem dúvida, têm inviabilizado estas tecnologias para o setor terciário em localidades
urbanas, sendo suas aplicações restritas a laticínios, alambiques e pequenas plantas afastadas de centros
urbanos, onde geralmente, existe disponibilidades de combustíveis a baixos custos.
Devido ao baixo nível de requerimento térmico do setor terciário, comparativamente ao setor
industrial, pode-se concluir que as tecnologias utilizando pequenas turbinas a gás e motores de combustão
interna se ajustam mais adequadamente às necessidades energéticas do setor terciário em localidades
urbanas, onde observa-se cada vez mais um número crescente de casos que utilizam esta tecnologia.
36
Capítulo 6 - O USO DO BIOGÁS NA INDÚSTRIA
Conforme foi visto no Capítulo 1, o aperfeiçoamento tecnológico do setor energético é essencial no
sentido de desenvolver alternativas ambientalmente benéficas, incluindo melhorias nas atividades de
produção de equipamentos e materiais para o setor. bem como na exploração de combustíveis. Com o
incentivo à utilização de combustíveis menos poluentes, almeja-se reduzir o impacto ambiental causado
pelos combustíveis fósseis (carvão , derivados de petróleo), possibilitando ao setor industrial associar estas
medidas a mudanças tecnológicas que podem ter significativa participação na conservação de energia. É
importante lembrar que o potencial para o aumento de eficiência energética não se limita apenas a setores
modernos da economia, e mesmo tecnologias tradicionais baseadas no uso da biomassa podem ser
significativamente melhoradas possibilitando oferecer benefícios ambientais.
A geração e utilização de biogás na indústria é um destes caminhos. Neste capítulo faz-se uma
abordagem geral sobre a produção de biogás, apresentando alguns aspectos históricos e modelos de
biodigestores. Posteriormente, no Capítulo 8 será apresentado um estudo de caso da utilização de biogás
como fonte de energia alternativa na Cooperativa Central de Laticínios do Estado de São Paulo. a Leite
Paulista, unidade de Guaratinguetá, onde a produção de biogás é proveniente da decomposição de material
orgânico oriundo da Estação de Tratamento de Efluentes (ETE) desta unidade.
6.1 - Histórico
O biogás, antigamente conhecido como gás dos pântanos, foi descoberto por Shirley em 1667. É um
produto estéril, inócuo, de fácil manuseio e inodoro quando purificado (em seu estado natural, tem leve odor
de gás sulfídrico). Quimicamente, seus componentes principais são o gás metano (CH4) e o dióxido de
carbono (CO2), entretanto sua composição é bastante variável dependendo da matéria-prima utilizada para
sua obtenção. A tabela 6.1 apresenta a composição percentual média típica de um biogás obtido a partir da
fermentação de matérias-primas diferentes.
Tabela 6.1 - Composição percentual média do Biogás
Biomassa FermentávelCOMPOMENTES (em %) CEREAIS ESGOTOS ESTERCO
Metano (CH4)
Dióxido de Carbono (CO2)
Nitrogênio (N2)
Hidrogênio (H2)
Oxigênio (O2)
Monóxido de Carbono (CO)
Gás Sulfídrico (H2S)
58,8
34,2
1,3
5,5
0,1
0,1
---
54,9
38,6
1,0
5,3
0,1
0,1
---
53,8
39,5
1,0
5,5
0,1
0,1
---
37
O poder calorífico do biogás situa-se em tomo de 5500 kcal/m3, porém quando purificado a 95% de
metano, atinge valores da ordem de 8500 kcal/m3. Sua densidade relativa é de 0,60 em média. É um gás
obtido a partir da digestão anaeróbica de resíduos vegetais ou animais. A biodigestão é o processo mais
simples e o mais adequado ao tratamento da biomassa e ao aproveitamento da energia química nela estocada.
Envolve uma tecnologia simples que não exige mão de obra especializada para a sua operação, quando a
produção ocorre em pequena ou média escalas.
No século XIX, Ulysse Gayon, aluno de Louis Pasteur, realizou a fermentação anaeróbica de uma
mistura de estrume e água a 35ºC, conseguindo obter 100 litros de gás por m3 de material fermentado. Em
1884, Louis Pasteur, ao apresentar à Academia das Ciências os trabalhos do seu aluno, considerou que esta
fermentação poderia constituir uma fonte de aquecimento e iluminação (Pires, 1996).
Na Índia, a idéia de aproveitar o gás metano produzido por digestão anaeróbica, já era verificado no
século passado, mais precisamente ao ano de 1859, quando numa colônia de leprosos, em Bombaim, se
realizou a primeira experiência de utilização direta de biogás. Cerca de 30 anos depois, em 1895, teve lugar
a primeira experiência européia, com a utilização do biogás para iluminação de algumas ruas da cidade de
Exter, na Inglaterra. Posteriormente, seguiram-se outras experiências, motivadas principalmente pelo
entusiasmo inicial que este processo atingiu. Apesar disso, este combustível não conseguiu vingar como
sendo o substituto dos tradicionais, pois sua exploração tem sido bastante reduzida, limitando-se a ser
utilizado em alguns casos esporádicos.
Segundo Pires (l996) foi apenas em 1940, devido à carências energéticas significativas provocados
pela II Guerra Mundial, que o biogás voltou a ser utilizado, quer na cozinha, no aquecimento das casas, ou
ainda para alimentação de motores de combustão interna. Nas décadas de 50 e 60, a relativa abundância das
fontes de energia tradicionais desencorajou a recuperação do biogás na maioria dos países desenvolvidos, e
apenas em países com poucos recursos de capital e energia, como a Índia e a China, o biogás desempenhou
um papel importante, sobretudo em pequenos aglomerados rurais. Entretanto, a partir da crise energética dos
anos 70, o gás metano dos digestores anaeróbicos voltou a despertar o interesse geral conduzindo a um
aumento da sua produção nos países europeus.
Neste final de século, a situação tem se agravado face ao crescimento populacional e industrial dos
grandes centros urbanos, comprometendo principalmente os recursos hídricos. Ligado a esse desenfreado
crescimento populacional e industrial, o homem enfrenta outro problema não menos preocupante, o
energético, que envolve a disponibilidade de energia fóssil e as dificuldades e conseqüências da utilização da
mesma. Esforços não têm sido medidos para a solução, embora distante, desses problemas e o tratamento de
resíduos, principalmente os que lançam mão de métodos biológicos, têm recebido atenção especial (Caetano,
1990).
Até pouco tempo, o biogás era simplesmente encarado como um subproduto, obtido a partir da
decomposição anaeróbica de lixo urbano, resíduos e lamas provenientes de estações de tratamento de
efluentes domésticos. No entanto, o acelerado desenvolvimento econômico dos últimos anos e a elevação
acentuada do preço dos combustíveis convencionais têm motivado as investigações na produção de energia a
partir de novas fontes alternativas e economicamente atrativas, tentando sempre que possível criar novas
38
formas de produção energética que possibilitem uma economia ou conservação dos recursos naturais
esgotáveis.
Neste sentido, Pires (l996) afirma que o grande volume de resíduos provenientes das explorações
agrícolas e pecuárias, assim como aqueles produzidos por matadouros, indústrias de laticínios, esgotos
domésticos e estações de tratamento de lixos urbanos, apresentam uma carga poluente até certo ponto
elevada e de risco, que impõem a criação de soluções que permitam diminuir os danos provocados por essa
poluição, buscando gastar o mínimo de energia possível em todo o processo. Assim, o tratamento desses
efluentes pode processar-se por intermédio da fermentação anaeróbica que, além da capacidade de despoluir,
permite valorizar um produto energético (biogás) e ainda obter um fertilizante, cuja disponibilidade contribui
para uma rápida amortização dos custos da tecnologia instalada.
Atualmente, para a implantação de projetos de biogás, até mesmo em pequena escala, tem-se que
levar em conta as condições sócio-culturais, políticas, econômicas e ecológicas; como também a tecnologia
apropriada principalmente para áreas rurais. Assim, antes de construirmos uma planta de biogás, devemos
fazer uma análise de custo beneficio do ponto de vista do beneficiário, da região e do estado. Julgando a
rentabilidade de plantas produtoras de biogás, os objetivos de cada decisão são de importância decisiva para
que sua implementação possa servir aos seguintes propósitos:
- produção de energia;
- obtenção de fertilizante orgânico para a agricultura;
- melhoria de serviço de saúde pública e higiene;
- redução do impacto das crises de energia;
- melhoria nas condições sociais nos níveis mais pobres da população.
6.2 - Tipos de Biodigestores
A escolha de um biodigestor depende essencialmente das características do substrato, das necessidades
de depuração, da disponibilidade de mão de obra e de condições de ordem econômica. Existem dois grandes
tipos de biodigestores: Biodigestores Descontínuos ou em Batelada, e os Biodigestores Contínuos.
Os biodigestores em batelada são carregados de uma só vez e mantidos fechados por um período
conveniente, sendo que a matéria orgânica fermentada é descarregado posteriormente. Trata-se de um
sistema bastante simples e de pequena exigência operacional. Sua instalação poderá ser em um tanque
anaeróbio ou em uma série de tanques, dependendo das demandas de biogás, da disponibilidade e da
qualidade da matéria prima utilizada.
Segundo Benincasa (l990), no Brasil os tipos mais comuns de biodigestores são contínuos, seguindo
os modelos clássicos da Índia e da China, onde são muito utilizados em comunidades rurais de pequeno e
médio porte. São biodigestores interessantes para o uso de diferentes resíduos orgânicos e vegetais,
requerendo entretanto, carregamento periódico, geralmente diário, e manejo do resíduo. Cada metro cúbico
de câmara de fermentação pode produzir, a uma temperatura de 30 a 35ºC, cerca de 0,15 a 0,20 m3 de biogás
39
por dia, o qual requer um tempo de retenção, geralmente de 30 a 50 dias, dependendo da variação de
temperatura do meio onde está inserido o biodigestor.
6.2.1 - Biodigestor Modelo Indiano
Conforme esquematizado na figura 6.1, o biodigestor indiano caracteriza-se por possuir uma cúpula
móvel, construída de ferro, ou fibra de vidro e à medida em que o gás se forma, ele fica armazenado sob a
cúpula. Este tipo de biodigestor, devido à formação incessante de gás, mantém uma pressão constante, a qual
permite a utilização de gás ininterruptamente. Apresenta uma parede central que divide o tanque de
fermentação em duas câmaras, possibilitando a separação da biomassa já fermentada e sua posterior
descarga.
Figura 6.1 - Biodigestor Modelo Indiano (Benincasa, 1990)
6.2.2 - Biodigestor Modelo Chinês
Este biodigestor mostrado na figura 6.2 é formado por uma câmara cilíndrica de alvenaria, para a
fermentação, e um teto abobado, impermeável destinado ao armazenamento do biogás. O reator funciona
com base no princípio de prensa hidráulica, de modo que há aumentos da pressão do gás no interior do
biodigestor, o que corresponde ao deslocamento da biomassa da câmara de fermentação para a caixa de saída
e em sentido contrário, quando há descompressão.
40
Figura 6.2 - Biodigestor Modelo Chinês (Benincasa, 1990)
6.3 - Projetos de Biogás no Mundo
Atualmente muitos projetos de biogás têm sido empreendidos em várias regiões do mundo. Vejamos
alguns exemplos.
No Parque Natural das Serras de Aire e Candeeiros, em Portugal, construiu-se uma Estação Coletiva
de Tratamento de Efluentes de suinicultura. Esse órgão é responsável pelo tratamento e pela produção de
biogás, cuja valorização em energia elétrica permite não só a satisfação das necessidades energéticas da
Estação, como também a venda de energia excedente, facultando uma receita financeira que suporta os
custos operacionais da Estação (Pires, 1996).
Em Buenos Aires, Argentina, encontra-se uma granja cuja principal atividade se baseia num rebanho
de cabras e ovelhas, contendo também um pequeno número de aves. O biogás gerado a partir dos materiais
orgânicos da granja é utilizado para alimentar um termotanque que colabora com o aquecimento da câmara
de digestão e ainda outros recintos. (Noguera et al., 1995).
Na França, há vários anos o CIRAD (Centro de Cooperação Internacional em Pesquisa Agronômica
para o Desenvolvimento) explora as diversas possibilidades de aproveitamento da biomassa. Numa de suas
unidades de pesquisa, existe um órgão que trabalha com o processo "Transpaille" para a produção de biogás.
Esse processo foi elaborado no Senegal - África entre 1985 e 1995 e consta atualmente a existência de 18
instalações de produção de biogás a partir de matérias orgânicas (principalmente restos em forma de palha).
De acordo com Théry (1997), o gás metano é obtido por fermentação anaeróbica em câmaras cilíndricas
feitas de chapas metálicas montadas e soldadas localmente. Essas instalações funcionam em regime contínuo.
Um subproduto da fermentação é o adubo composto, valorizado no cinturão urbano de produção de
hortifrutis. Várias instalações já existem ou estão em projeto na África (Senegal, Nigéria, Togo, Sudão, Mali
Tchad), México, Colômbia, e mesmo aqui no Brasil.
41
Capítulo 7 - SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR
A proposta de aproveitamento energético aplicada na Cooperativa Central de Laticínios do Estado de
São Paulo (Leite Paulista - Guaratinguetá - SP) consistiu em melhorar a produção de água gelada, utilizando
o biogás como recurso de energia. Esta alternativa de uso racional de energia permitiu evitar o desperdício
da carga energética potencialmente considerável do gás, solucionando o problema de insuficiência do
sistema de geração de água gelada, provocado por elevação da temperatura a níveis impraticáveis e
prejudiciais a produção. No Capítulo 9 será feita uma análise técnica desta alternativa. Entretanto, torna-se
necessário agora, conceituar e discutir alguns fundamentos sobre os sistemas de refrigeração utilizados
industrialmente. Inicialmente será abordado os sistemas de refrigeração por compressão de vapor e no
próximo capítulo, os sistemas de refrigeração por absorção.
7.1 – Introdução
Refrigeração é o processo de retirada de calor de um espaço ou corpo com a finalidade de reduzir sua
temperatura, transferindo esse calor para um outro espaço ou corpo. Como o calor é a forma comum de
energia (todas as outras formas de energia podem ser convertidas completamente em calor), é útil
compreender algumas das leis físicas básicas da energia para fundamentar o estudo da refrigeração. No
capítulo 2, foi possível rever os conceitos termodinâmicos que regem este processo.
Os sistemas de refrigeração empregam líquidos cujos pontos de ebulição podem estar muitos graus
abaixo de zero e dos quais são conhecidos os pontos de ebulição para diversas pressões, isto é, fluidos
refrigerantes que apresentam composições bem definidas, estabilidade química e características pressão-
temperatura conhecidas. Pelo uso de diversos dispositivos mecânicos, a pressão no interior do sistema pode
ser mantida em qualquer valor desejado e consequentemente, é possível variar a temperatura do fluido
fazendo com que ele absorva calor de um meio externo, para se evaporar. A partir desta retirada de calor do
meio, sua temperatura reduz, tornando-se um espaço refrigerado.
Os egípcios e os índios norte-americanos conseguiam manter a água fria, guardando-a em jarros de
barro semiporosos. Assim, a medida que a água escapava por infiltração através das paredes havia a
evaporação que dissipava calor e resfriava o restante da água no jarro. Na Europa, o gelo natural dos lagos e
rios era cortado durante o inverno e guardado em cavernas ou poços revestidos de palha, estocados em
prédios isolados com serragem, para ser retirado na medida das necessidades. Com o advento da tecnologia
e da refrigeração mecânica, os sistemas frigoríficos tomaram-se bastante complexos e os processos de
produção do frio fundamentaram-se na vaporização contínua do líquido refrigerante:
- por meio de ejeção de vapor, usada nas máquinas frigoríficos de vapor d'água;
- por meios mecânicos. nas máquinas frigoríficos de compressão de vapor.
- por meio de aquecimento, método usado nas chamadas instalações de absorção.
42
Dentre estes sistemas, os dois últimos são sem dúvida os mais importantes e utilizados na indústria e
no comércio. A seguir apresenta-se uma análise detalhada de cada processo de refrigeração.
7.2 - Refrigeração por Compressão de Vapor
O ciclo de compressão a vapor é o mais usado na prática. Nesse ciclo, o vapor é comprimido,
condensado, tendo posteriormente sua pressão diminuída de modo que o fluido possa evaporar a baixa
pressão. O ciclo de Carnot é aquele cuja eficiência não pode ser superada entre duas temperaturas dadas.
Esse ciclo é conhecido na Termodinâmica como motor térmico, cujo esquema e diagrama temperatura-
entropia são mostrados na figura 7.1. O motor térmico de Carnot recebe energia à temperatura alta, converte
parte da energia em trabalho e cede a restante a um reservatório térmico a baixa temperatura.
7.1 - Motor Térmico de Carnot e seu respectivo diagrama temperatura-entropia
O ciclo de refrigeração de Carnot opera no sentido inverso, transferindo energia do nível mais baixo
de temperatura para o mais alto, e portanto requerendo para sua operação, a ação de trabalho externo. O
esquema e o diagrama temperatura-entropia do ciclo de refrigeração são mostrados na figura 7.2
Figura 7.2 - Ciclo de refrigeração de Carnot e seu respectivo diagrama temperatura-entropia
43
Os processos que ocorrem no ciclo de refrigeração são: (1-2) compressão adiabática; (2-3) rejeição
isotérmica de calor; (3-4) expansão adiabática; (4-1) recebimento isotérmico de calor. A extração de calor da
fonte de baixa temperatura no processo 4-1 é a finalidade do ciclo. Todos os outros processos do ciclo
ocorrem para transferir energia retirada da fonte de baixa temperatura para um reservatório conveniente de
alta temperatura.
Todos os processos do ciclo de Carnot são reversíveis e consequentemente os processos 1-2 e 3-4 são
isoentrópicos. A reversibilidade do ciclo de Carnot torna-o mais eficiente que qualquer ciclo real, podendo
ser usado como referência na estimativa das temperaturas que produzem a eficiência máxima.
O desempenho de um ciclo frigorífico é medido através do coeficiente de eficácia que expressa a
relação entre a quantidade daquilo que se deseja (refrigeração útil) e a quantidade do que se gasta (trabalho
líquido).
Um coeficiente de eficácia elevado é interessante, pois eqüivale a uma quantidade pequena de trabalho
para obtenção de um dado nível de refrigeração. Como o calor trocado em um processo reversível é dado
por qREV =T/ds, o coeficiente de eficácia pode ser expresso em termos das temperaturas limites do ciclo.
Assim, na figura 7.3, as áreas sob as curvas representativas de processos reversíveis no diagrama
temperatura-entropia representam o calor transferido. A refrigeração útil é o calor transferido no processo 4-
1, ou a área sob a curva 4-1. A área sob a curva 2-3 representa o calor rejeitado pelo ciclo. A diferença entre
o calor rejeitado e aquele transferido para o ciclo é o calor líquido, que em um processo cíclico é igual ao
trabalho líquido, representado pela área do retângulo I-2-3-4.
12
1
2112
411
TT
T
)ss)(TT(
)ss(TeficáciadeeCoeficient
−=
−−−
= (7.1)
Figura 7.3 - Refrigeração útil e trabalho líquido em um ciclo de Carnot
Um valor baixo de T2 produzirá um coeficiente de eficácia alto. Um valor alto de T1 aumenta o valor
do numerador e diminui o denominador, crescendo o coeficiente de eficácia. Assim, o valor de T1 tem um
efeito significativo sobre o coeficiente de eficácia que o de T2. Resumindo, para obter um alto coeficiente de
eficácia deve-se operar com T1 elevado e com T2 baixo.
44
Entretanto, T1 jamais pode ser igualado a T2, produzindo um coeficiente de eficácia infinito. Deve
ficar claro que sobre T1 e T2 são impostas as temperaturas do ambiente a que se deseja refrigerar e do
ambiente em que se rejeita o calor, estando estas temperatura limitadas aos valor desses ambientes.
Os ciclos reais devem ser construídos de tal modo que se aproximem o máximo possível do ciclo de
refrigeração de Carnot que é o mais eficiente. Os processos reversíveis não pode ser reproduzidos, mas a
forma retangular do ciclo no diagrama temperatura-entropia deveria ser mantida, fazendo com que todo o
calor seja recebido a um nível de temperatura e rejeitado a outro. O fluido refrigerante utilizado deve se
condensar durante a rejeição de calor e se evaporar durante a retirada de calor (refrigeração), operando entre
os estados de líquido e vapor. O ciclo de Carnot se encaixaria, portanto, entre as linhas de vapor e líquido
saturado para tal refrigerante conforme mostra a figura 7.4. Os processo 2-3 e 4-1 ocorrem à temperatura
constante, uma vez que processos isobáricos durante a mudança de fase são também isotérmicos. O processo
2-3 é de condensação e o recipiente onde ocorre é denominado condensador. O processo 4-1 é de ebulição,
ocorrendo no evaporador.
Figura 7.4 - Ciclo de refrigeração de Carnot para um refrigerante que evapora/condensa
O diagrama esquemático de um ciclo padrão de compressão a vapor é mostrado na figura 7.5, onde é
possível identificar os seguintes processos:
1 - 2 Compressão adiabática reversível desde o estado de vapor saturado até a pressão de condensação (vapor superaquecido);
2 - 3 Rejeição reversível de calor à pressão constante, diminuindo a temperatura do refrigerante inicialmente e condensando-o depois;
3 - 4 Expansão irreversível à entalpia constante desde o estado de líquido saturado até a pressão de evaporação;
4 - 1 Ganho de calor à pressão constante, produzindo a evaporaçãodo refrigerante até o estado de vapor saturado.
45
Figura 7.5 - Ciclo padrão de refrigeração por compressão a vapor
Os fluidos refrigerantes mais utilizados no ciclo de refrigeração por compressão de vapor são os
hidrocarbonetos fluorados, denominados Freons ou CFCs, dos quais os mais importantes são o R11
(tricloromonofluormetano), R12 (diclorodifluormetano) e o R22 (clorodifluormetano). Entretanto, esses
refrigerantes estão com seus dias de existência contados.
A descoberta, nos últimos anos, de que a crescente destruição da camada de ozônio é conseqüência
dos efeitos do homem sobre o meio ambiente, principalmente pelo lançamento indiscriminado de gases
poluentes, como os refrigerantes halogenados denominados cloro-flúor-carbonos (CFCs), culminou na
assinatura de um protocolo de compromisso entre os países no sentido de rever a produção, comercialização
e utilização desses produtos.
Com o tratado internacional sobre o fim da produção dos refrigerantes cloro-flúor-carbonados (CFCs),
novos fluidos de trabalho em sistemas de refrigeração têm sido estudados e propostos para eliminar o
problema relativo à destruição da camada de ozônio. Como substituto para o refrigerante Rl2 (fluido mais
utilizado em refrigeradores domésticos e comerciais, equipamentos de ar condicionado) recomenda-se a
utilização do R134a (1, 1, 1, 2 tetrafluoretano) que é um composto não-clorado e portanto, indiferente a
reação com ozônio.
Portanto, o mercado de refrigeração por compressão de vapor vive atualmente uma fase de transição e
mudanças profundas no qual o desenvolvimento tecnológico tem contribuído significativamente para a
melhoria do desempenho energético desses equipamentos.
7.3 – A Destruição da Camada de Ozônio
A pesquisa científica e a análise de dados recentes têm confirmado suspeitas a respeito da destruição
da camada de ozônio que envolve a Terra, decorrente principalmente do aumento da produção de certas
substâncias nocivas ao meio ambiente. Entre essas substâncias destacam-se os refrigerantes CFCs
46
(clorofluorcarbonos) que foram, historicamente, alguns dos primeiros produtos químicos a serem projetados
para atender as propriedades e usos particulares da indústria de refrigeração.
Relatos científicos indicam que as primeiras técnicas de refrigeração foram constituídas no Egito e na
Índia, por volta do século 500 a.C., através do mecanismo de resfriamento por evaporação. Com o avanço
dos processos físicos no final do século XIX, o mundo vivia a realidade das máquinas a vapor e dos sistemas
de geração de potência, exigindo a compreensão dos fundamentos de transferência de calor para uma região
de alta temperatura e permitindo propor diversos modelos de ciclos fechados de refrigeração por compressão
de vapor e absorção. Alguns sistemas de refrigeração por absorção foram construídos para a produção de
gelo e para aplicações industriais em processos contínuos. Ferdinand E. Carré descreveu alguns sistemas
para condicionamento de ar, controle de processos de fermentação e concentração, dentre outras aplicações,
utilizando o mecanismo de absorção com o par de refrigerantes água-amônia. (Stephan, 1983).
Em 1880, nos EUA, Carl V. Linde introduziu a substituição das máquinas de absorção por sistemas
de refrigeração à compressão mecânica. Inicialmente, um grande número de máquinas de refrigeração foi
desenvolvido em resposta a necessidade de se produzir frio para a armazenagem de alimentos. Essas
máquinas utilizavam dióxido de carbono (CO2) como fluido refrigerante capaz de evaporar-se para retirar o
calor de um ambiente, entretanto, requeriam elevado consumo de energia. Procurando vencer esta
dificuldade, por volta de 1920, surgiram as primeiras máquinas de refrigeração por compressão de amônia
(NH3), motivadas pelos avanços obtidos por Altenkirch, ao estudar a tecnologia da minimização de perdas
de energia em sistemas de refrigeração por absorção.
Segundo Calm e Didion (1997), anteriormente a 1930, os equipamentos de refrigeração em uso
comum também utilizavam refrigerantes como clorometano, tetracloreto de carbono, isobutano e propano.
No entanto, como conseqüência dos estudos sobre toxicidade e inflamabilidade desses compostos,
particularmente considerando o ambiente doméstico, Midley e outros colaboradores da General Motors
iniciaram uma campanha para o identificar possíveis materiais que viessem a substituir esses refrigerantes.
Exigindo como pré-requisitos condições especificas de volatilidade, estabilidade, baixa toxicidade e não
inflamabilidade, as pesquisas concentraram-se em alguns compostos tendo como base elementos químicos
dos Grupos IV a VII da tabela periódica.
Com este trabalho, a partir de 1940, refrigerantes halocarbonados foram desenvolvidos permitindo que
o segmento industrial da refrigeração sofresse significativa expansão em nível mundial após a 2ª Guerra
Mundial, diante da implementação de novas tecnologias associadas a estes refrigerantes conhecidos também
por CFCs (Sauer Jr. e Howell, 1983).
Como conseqüência das características que possibilitaram aos CFCs emergir dentro do setor de
refrigeração por compressão a vapor, os requisitos de segurança eram tão bem atendidos que permitiram o
desenvolvimento de uma cultura geral que tolerava eventuais vazamentos ou mesmo a disposição desses
gases na atmosfera.
Segundo McCulloch (1999), a produção e emissão dos CFCs 11 e 12, respectivamente
triclorofluormetano (CCl3F) e diclorodifluormetano (CCl2F2), os compostos originais dos grupos,
permaneceu comparativamente baixa através da década de 1950, aumentando rapidamente com a expansão
47
do mercado de refrigeração em desenvolvimento no mundo, além da utilização destes produtos em outras
aplicações, como aerossóis, sprays e agentes de expansão na fabricação de plásticos e espumas.
Ao mesmo tempo em que a liberação dos CFCs 11 e 12 aumentava, o mercado de refrigeração
desenvolvia novos refrigerantes fluorcarbonados mais voláteis, tais como CFC-113 (1,1,2
triclorotrifluoretano, CCl2FCClF2), CFC-114 (1,2 diclorotetrafluoretano, CClF2CClF2), CFC-115
(cloropentafluoretano) CF3CClF2) além dos halons, substâncias derivadas do bromo, tais como Halon-1211
(bromoclorodifluormetano, CBrClF2) e Halon-1301 (bromo-trifluormetano, CBrF3), bem como alguns
solventes, tetracloreto de carbono (CCl4) e metilclorofórmio (1,1,1 tricloroetano CCl3CH3), cuja produção e
comercialização apresentaram-se bastante acentuadas até a década de 1980.
A Figura 7.6 apresenta o progressivo aumento da emissão de CFCs, que fez com que as substâncias
CFC11 e CFC12 tornassem onipresentes como constituintes traços da composição da troposfera, a partir da
década de 1970.
Figura 7.6 - Emissões anuais de clorofluorcarbonos: (a) CFC-12; (b) CFC-11;
(c) CFC-113; (d-linha cheia) CFC-114; (d-tracejado) CFC-115 (McCulloch,1999)
Ainda nesta mesma época, foram desenvolvidos por J. E. Lovelock e outros cientistas norte-
americanos, os primeiros trabalhos de observação do nível de concentração dessas substâncias na atmosfera,
mostrando o acúmulo substancial de parte dos CFCs emitido na atmosfera. Esses trabalhos serviram de base
para a proposta das primeiras hipóteses da depreciação do ozônio estratosférico, substância naturalmente
responsável pela absorção da radiação ultravioleta nociva emitida pela luz solar.
A década de 1980, foi então marcada por grandes acordos mundiais estabelecidos no sentido de
regulamentar a utilização e principalmente a emissão indiscriminada dessas substâncias na atmosfera. Neste
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(10
3 ton
)
anos
48
sentido, destaca-se o Protocolo de Montreal assinado em 1987 por mais de 160 países, visando extinguir o
uso dos refrigerantes CFCs.
Nos últimos 10 anos, significativos avanços tecnológicos foram apresentados permitindo desenvolver
desde refrigerantes alternativos até novos equipamentos de refrigeração dimensionados para operar com estes
fluidos “inofensivos”, procurando associar também a questão econômica ao processo operacional.
Na seqüência, discute-se alguns dos aspectos históricos e científicos que motivaram a substituição e o
desenvolvimento de novos refrigerantes, a partir da extinção gradual implementada ao uso dos CFCs.
Pretende-se ainda neste relato, avaliar a nova conjuntura econômica estabelecida dentro da indústria da
refrigeração com respeito ao novo cenário do desenvolvimento tecnológico, procurando desta forma
subsidiar a questão da necessidade da substituição de refrigerantes em equipamentos que se encontram
atualmente em operação.
7.4 - A Importância da Camada de Ozônio
O ozônio (O3) é um gás de coloração variável entre o azul pálido e escuro, muito oxidante e reativo,
representando uma variedade alotrópica1 do gás oxigênio (O2). O ozônio se concentra na chamada
estratosfera, uma região situada entre 20 e 40 km de altitude, sob o aspecto de uma fina camada.
Produzido naturalmente na estratosfera pela ação fotoquímica dos raios solares ultravioleta sobre as
moléculas de oxigênio, a formação do ozônio ocorre de modo dinâmico obedecendo a uma seqüência de
etapas reacionais. Primeiramente, os raios solares são suficientemente intensos para separar dois átomos de
oxigênio que compõe a molécula de O2, produzindo conforme mostra a equação (7.2), átomos de oxigênio
monoatômicos.
OOO )g(2 ⋅+⋅→λ+ (7.2)
onde λ representa a energia correspondente à luz ultravioleta necessária para a ocorrência da dissociação.
A produção de ozônio é realizada numa etapa imediatamente posterior, resultando da associação de
um átomo de oxigênio instável com uma molécula de O2 na presença de um catalisador (elemento necessário
para manter o balanço de energia mas que não é consumido na reação).
)g(3rcatalisado
)g(2 OOO →+⋅ (7.3)
Devido à alta reatividade, a concentração de ozônio é resultado de um equilíbrio entre a sua produção
e destruição, gerando camadas de alta e baixa concentração que atingem níveis máximos, numa faixa de 30
km de altitude, popularmente conhecida como Camada de Ozônio.
1 Condição na qual um único elemento químico forma duas ou mais substâncias simples diferentes.
49
Quando os raios UV incidem sobre uma molécula de ozônio, a energia extra acumulada rompe as
ligações entre os átomos, liberando uma molécula de O2 e um átomo de oxigênio livre, numa reação inversa
ao processo de formação do ozônio. É esse equilíbrio que, em condições normais, regula a quantidade dos
gases oxigênio e ozônio e a intensidade das radiações (Kirchhoff, 1988).
⋅+→λ+ OOO )g(2)g(3 (7.4)
Essa diferença entre as quantidades das duas substâncias, no entanto, é fundamental para a
manutenção de todas as formas de vida na Terra, pois o ozônio é o grande responsável pela absorção das
radiações eletromagnéticas muitas vezes nocivas aos organismos vivos.
A radiação solar incidente pode ser separada em três partes: a radiação UV-A, que se estende desde
320 a 400 nm; a radiação UV-B, que vai de 280 a 320 nm e a radiação UV-C com comprimentos inferiores a
280 nm, sendo totalmente absorvida na atmosfera terrestre e por isso sem maior importância para medidas
feitas da superfície da Terra.
A principal função da camada de ozônio é absorver grande parte da radiação UV-B, evitando que ela
atinja a superfície terrestre juntamente com a radiação UV-A, que não é absorvida pela atmosfera, a não ser
pelo espalhamento nas moléculas e partículas.
As radiações UV-B produzem diversos efeitos sobre o corpo humano, desde a estimulação da
formação de vitamina D na pele, até mesmo o desenvolvimento de queimaduras nocivas e envelhecimento
precoce, podendo originar casos de câncer da pele. Quando o organismo é exposto a forte intensidade da
radiação UV-B, o sistema imunológico pode ser afetado, reduzindo a resistência por extinção da resposta
imunológica, provocando a manifestação de doenças como o sarampo, a varicela, o herpes e outras doenças
virais que provocam erupção cutânea, propiciando o desenvolvimento de infecções bacterianas. Além disto, a
radiação UV-B pode contribuir para diversas perturbações oculares, como inflamação aguda dolorosa da
córnea e casos de catarata (enevoamento do cristalino), que em muitos países é uma das principais causas de
cegueira. (CETESB, 1998).
Investigações efetuadas sobre determinadas culturas vegetais mostram que as radiações UV-B afetam
a capacidade dessas culturas de captarem a energia solar durante o processo de fotossíntese, reduzindo
também o teor em nutrientes e o crescimento das plantas. Surgem alterações que desequilibram as relações
existentes, não somente entre as próprias plantas, mas também entre elas e os animais que delas se
alimentam, incluindo um enorme aumento de pragas e outros agentes causadores de doenças vegetais.
A vida marinha também é afetada pelo excesso de radiação nociva, tendo em vista que o plâncton,
animais e algas microscópicos que formam a base da cadeia alimentar dos oceanos, sofre uma percentual
redução de atividade, refletindo em alterações em nível de sua quantidade e de espécies que o compõem e
afetando diretamente a reprodução de outros peixes e crustáceos em todo o mundo (AAB, 2001).
De acordo com Benedick (1991), a partir da relação destes problemas causados pela excessiva emissão
de radiação UV-B, pode-se estabelecer uma idéia da importância do ozônio e do risco crucial que representa
sua potencial destruição. Assim sendo, mesmo que algumas formas de vida adquiram alguma forma ou
50
condição para se proteger da exposição aos raios UV-B, as alterações significativas no espectro e da
intensidade luminosa decorrentes da diminuição da camada de ozônio poderão, no entanto, ser altamente
prejudiciais.
7.5 - Histórico e Caracterização da Destruição do Ozônio
Diante do prognóstico anteriormente apresentado sobre as implicações da destruição da camada de
ozônio e os riscos que isto representa para o desenvolvimento dos seres vivos terrestres, expostos a um
potencial maior de emissão de radiação solar nociva, torna-se necessário conhecer o desenvolvimento
histórico e a caracterização do problema que nos últimos 20 anos tem sido motivo de preocupação.
Essa avaliação histórica permite refletir sobre a importância determinante do progresso da ciência que
reorientou os fundamentos da nova sociedade industrial em relação ao emprego dos CFCs. Deste modo, é
preciso compreender que a análise da caracterização histórica do problema permeia por duas correntes
paralelas que posteriormente, se interrelacionam buscando associar a destruição da camada de ozônio pela
influência dos CFCs.
O ozônio foi descoberto em 1839 por C.F. Schonbein, porém só em 1913 ficou cientificamente
comprovado que a maior quantidade desse gás ocorria de modo natural na média atmosfera. Assim, o ozônio
estratosférico sempre foi mais concentrado nas regiões polares do que na região do Equador. Além disto, nos
pólos, ele situa-se numa altitude mais inferior e por essa razão, estas regiões são consideradas propícias para
o monitoramento da densidade da camada de ozônio (MMA, 2001).
Segundo Mouton (1991), estudos quantitativos são realizados desde 1957, com o objetivo de efetuar
medições na camada de ozônio acima da Antártida, onde os valores considerados normais variavam de 300 a
500 unidades dobson, que é a unidade de medida do nível de concentração do ozônio. Assim, 1 unidade de
Dobson (DU) é equivalente a espessura de 0,01 mm de um gás, ao se considerar a compressão deste quando
ocupa uma coluna imaginária que se estende do solo à atmosfera, sob condições normais de temperatura e
pressão. (CAS, 2001)
Nos trópicos, o nível de ozônio pode variar entre 250 e 300 DU, enquanto que em regiões temperadas
esse valor pode ser bem maior. Em Leningrado, por exemplo, na ausência de depreciação do ozônio, ou seja,
considerando apenas as variações normais dos ciclos sazonais e outros efeitos naturais, já foram registrados
índices da ordem de 475 DU, enquanto os valores mais baixos registrados ficam por conta de 300 DU.
Em 1971, J. Lovelock detectou, através de equipamentos de cromatografia gasosa por feixes de
elétrons, concentrações-traços de substâncias CFCs presentes na atmosfera, na ordem de partes por trilhão.
Ao revelar que os CFCs apresentavam-se em três formas estáveis dentro da atmosfera, as análises realizadas
por ele e outros pesquisadores no início da década de 1970, foram indiretamente as primeiras provas da
origem do problema de destruição da camada de ozônio que mais tarde se agravaria, representando
significativo impacto à comunidade e principalmente aos produtores de CFC (Lovelock et al., 1973).
51
Os estudos apresentados serviram de base para que em 1974, Sherwood Rowland e Mario Molina, da
Universidade da Califórnia, publicassem um artigo no qual propunham mecanismos reacionais da ação que
alguns compostos clorados poderiam desempenhar na destruição catalítica do ozônio na atmosfera.
Um esquema do mecanismo proposto por Rowland e Molina (1974) é apresentado na Figura 7.7, que
também apresenta, sob linhas tracejadas, uma seqüência de reações identificadas mais recentemente. Ele
mostra que a decomposição dos CFCs gera preferencialmente a espécie Cl. que é a grande responsável pelas
reações seqüenciais que seguem.
Figura 7.7 – Mecanismo reacional esquemático de reações
envolvendo cloro e ozônio na atmosfera
Devido ao seu poder oxidante, o ozônio pode doar com facilidade moléculas de oxigênio para espécies
de radicais livres como o nitrogênio, hidrogênio, bromo e cloro. Esses compostos ocorrem naturalmente na
estratosfera a partir de fontes como o solo, vapores d'água, geleiras e oceanos.
⋅+→⋅+ OXOXO )g(2)g(3 (7.5)
Nesta equação, X é comumente uma das seguintes espécies O, NO, OH, Br ou Cl. Assim, pelo
mecanismo reacional acima descrito, fica comprovado que emissões de óxidos de nitrogênio e enxofre, cloro,
cinzas e calor decorrentes de fenômenos naturais (como erupções vulcânicas) contribuem naturalmente para
redução da camada de ozônio, pois algumas destas espécies atuam como catalisadores na reação da equação
(7.5).
No entanto, esta degradação natural, não livra o homem de sua parcela de responsabilidade diante das
proporções que o problema atingiu na atualidade. Com sua hipótese, Rowland e Molina procuraram
Cl
gelo
CnFxCly(CFC)
O / λ
O3
O /NO
ClO
NO2ClONO2λ
HOClHO2
OHλ
OH
H2/CH4/HO2/H2CO
Removido na troposfera
HNO3
HCl
52
demonstrar que os CFCs presentes na atmosfera subsistem a uma fotodecomposição através do efeito da
radiação ultravioleta dentro da estratosfera, resultando na emissão de átomos de cloro instáveis e reativos
(Cl.), responsáveis pela degradação o ozônio (O3) em oxigênio molecular (O2).
A Figura 7.8 procura explicar de forma geral, o efeito da redução da camada de ozônio estratosférico
pela ação da emissão indiscriminada de CFCs presentes em aerossóis, fluidos de máquinas frigoríficas e na
fabricação de isolantes térmicos.
Figura 7.8 – Redução da Camada de Ozônio
em função da emissão de CFC (adaptação de NOAA,2000)
Na estratosfera, a radiação UV de alta energia ocasiona a fotodecomposição das moléculas de CFCs
liberando os átomos de cloro instáveis que atuam como o principal catalisador da destruição do ozônio.
Inicialmente os átomos de cloro livres, se combinam com compostos instáveis e altamente reativos, que
normalmente contém oxigênio, como é o caso do ozônio, formando substâncias como o monóxido de cloro
(ClO).
)g()g(2)g(3 OClOClO ⋅+→⋅+ (7.6)
Emissão de CFCs p.ex.: CFCl3 CFC-11 CF2Cl2 CFC-12
CFCs são decompostosna estratosfera pela ação
da radiação solar
Destruição do O3
por átomosde Cl
instavéis
Redução da Camada de Ozôniopermitindo maior incidência de
radiação ultravioleta (UV)
Aumento da radiaçãoprejudicial aos seres vivos
QUANTIDADE DE OZÔNIO Pressão [mPa]
AL
TIT
UD
E
[km
]
53
O monóxido de cloro ainda é uma substância com alto poder reativo e ao reagir com átomos de
oxigênio ou outros radicais oxigenados, produz moléculas de O2, liberando novamente átomos de cloro (Cl.).
Essa espécie regenerada possui a capacidade de iniciar um novo ciclo de destruição, de modo que um único
átomo de cloro pode ser capaz de destruir até cem mil moléculas de ozônio.
ClOOClO )g(2)g( ⋅+→⋅+⋅ (7.7)
Assim, conforme esquematizado pelas reações (7.6) e (7.7), os átomos de cloro provenientes dos CFCs
e eventualmente átomos de bromo provenientes dos halons são dois dos mais importantes elementos
químicos associados à destruição do ozônio. Ravishankara et al., apud McCulloch (1999), ressaltam ainda
que os átomos de flúor presentes nestas substâncias e liberados pela fotodecomposição, combinam-se com
diversas espécies formando fluoreto de hidrogênio, que devido às suas fortes interações, torna-se um inerte
na atmosfera, atuando como um depósito natural para o flúor, sem degradar o ozônio.
Muitas vezes, o mecanismo de destruição do ozônio é esquematizado através da reação química global
da equação (7.8), que mostra como o átomo de halogênio pode ser regenerado e portanto não considerado no
processo global, vindo a ser considerado apenas como um catalisador (Novaes, 1998).
)BrouCl(Xhalon/CFC ⋅→λ+
)g(2)g(
)g(2)g()g(3
OXOXO
OXOOX
+⋅→⋅+⋅
+⋅→+⋅ (7.8)
reação global: )g(2)g(3 O2OO →⋅+
Durante alguns anos depois que a hipótese básica foi publicada, nenhuma depreciação do ozônio foi
observada, pois o pobre desenvolvimento da ciência da atmosfera na época não permitiu confirmar as
conclusões de Rowland e Molina. No entanto, em 1982, Joe Farman, juntamente com outros pesquisadores
da British Antartic Survey, observaram pela primeira vez uma redução além do normal na concentração de
ozônio sobre a Antártida, comparativamente a um aumento na concentração de cloro na estratosfera.
Como Farman utilizava um equipamento de pouca precisão e os dados que estavam sendo coletados
não tinham precedentes, em vista da grande diminuição na concentração do gás (cerca de 20%), acharam por
bem aguardar e fazer novas medições em outra época, com um equipamento mais preciso, antes de tornar
público um fato tão alarmante. Além disso, o satélite Nimbus 7 lançado em 1978, com a função de
justamente monitorar a camada de ozônio por mapeamento (Total Ozone Mapping Spectrometer-
TOMS/NASA), não havia detectado nada de anormal sobre a Antártida. Isso aliás, foi um erro descoberto
posteriormente, tendo em vista, que o satélite havia sido programado para considerar níveis de detecção
inferiores a 200 DU como sendo erros de leitura e desprezá-los.
54
Os estudos da equipe do British Antarctic Survey prosseguiram nos dois anos seguintes, durante o
período da primavera no hemisfério sul, e constataram realmente que não só a camada de ozônio continuava
diminuindo, como essa redução tornava-se cada vez maior.
Em 1984, uma redução de 30% na camada de ozônio foi registrada em uma estação terrestre situada a
1600km de altitude, o que motivou um primeiro acordo entre alguns países no sentido de estabelecer metas
de pesquisa e estudo, além da troca de informações sobre como proteger a camada de ozônio retardando a
sua destruição. Firmava-se em 1985 a Convenção de Viena para a Proteção da Camada de Ozônio, onde
foram traçadas as primeiras metas para a redução do consumo de compostos clorofluorcarbonados (PNUD,
1999).
Os cientistas não podiam imaginar que a destruição ainda viria a aumentar muito mais
significativamente nos anos subsequentes e que a redução no nível de ozônio caracterizaria a formação de
um “buraco”, expondo certas regiões à incidência direta de radiação solar. De fato, em setembro de 1987
foram detectadas ocorrências apelidadas de "mini-buracos", que apareceram próximos à região sul-polar,
registrando um desaparecimento de cerca de 97,5% do ozônio detectado em agosto daquele mesmo ano,
numa altitude de 16,5 km.
A degradação acentuou-se mais nesta região devido ao acúmulo de gases durante os seis meses do
rigoroso inverno polar, impossibilitando a circulação de ar, e assim, beneficiando a formação de círculos de
convecção exclusivos daquela área, contendo alta concentração de poluentes. De acordo com o mecanismo
apresentado anteriormente na Figura 7.8, as nuvens de água gelada que contém hidratos de ácido nítrico
influenciam profundamente a concentração de cloro na estratosfera, pelo desequilíbrio causado na formação
dos depósitos naturais de cloro que forma ácido clorídrico (HCl) e são removidos na troposfera. Esse
desequilíbrio favorece a formação de ClONO2, colaborando para a degradação do ozônio. Assim, durante a
primavera austral, com a ascensão dos poluentes à estratosfera, os primeiros raios solares quebram as
moléculas de CFC iniciando a reação de degradação do ozônio.
A constatação de que a destruição da camada de ozônio era algo que aumentava periodicamente,
através de contínuas medições que indicavam a redução na concentração de O3 continuamente a cada ano,
fez com que as Nações Unidas resolvessem promover uma convenção intercontinental, ainda durante o ano
de 1987, firmando um acordo para reduzir e eliminar uma série de substâncias capazes de degradar o ozônio.
Os registros e trabalhos de Farman e sua equipe, reportados na World Meteorological Organization´s
Assessments, foram instrumentos importantes na promoção deste acordo que especificou medidas restritivas
e necessárias, firmado por 24 países em setembro de 1987 e conhecido como Protocolo de Montreal
(PNUMA,1987). Outra ação importante estabelecida pela ONU foi a criação do Dia Internacional para a
Proteção da Camada de Ozônio, celebrado em 16 de setembro a cada ano (PNUD, 1999).
Este Protocolo e suas subsequentes emendas em Londres (PNUMA, 1990) e Copenhague (PNUMA,
1992), serviram para identificar e classificar um conjunto de substâncias que destroem o ozônio (SDOs)
entre os quais encontram-se os clorofluorcarbonos (CFCs), os agentes de extinção de incêndio (Halons), os
hidroclorofluorcarbonos (HCFCs), o brometo de metila, o clorofórmio, tetracloreto de carbono, entre outros.
Por outro lado, estes acordos procuraram estabelecer claramente os prazos e as quantidades de SDOs que
55
progressivamente deveriam ser retiradas de circulação ano a ano, organizando um cronograma progressivo
para a substituição e eliminação dessas substâncias.
7.6 - Protocolo de Montreal e Outras Ações Políticas
Segundo Purvis et al. (2001), enquanto outros usuários de CFCs, particularmente a indústria de
aerossóis e sprays, já tinha iniciado em meados da década de 1980, sua adaptação ao emprego de
alternativas, utilizando de estratégias comerciais para promover a utilização de substâncias como
hidrocarbonetos, a indústria de refrigeração apresentava poucas mudanças, sendo considerada
“comparativamente lenta” em resposta à procura e ao desenvolvimento por novos refrigerantes.
A justificativa apresentada baseava-se no fato de que a substituição de CFCs havia sido caracterizada
como tecnicamente difícil, havendo poucas pressões do mercado para mudança. Entretanto, a severidade
crescente imposta pela regulamentação e a inovação tecnológica sem precedentes permitiram subsequentes
progressos, de modo que o Protocolo de Montreal, anteriormente assinado por apenas 24 países, aos poucos
servia de instrumento para o crescimento da conscientização mundial para com o problema.
No acordo original estabelecido, havia sido proposta a redução de 50% na produção e consumo de
CFCs até o ano 2000, além do fim da comercialização de halons previsto para 1992. Investimentos em
pesquisas foram disponibilizados, incentivando o desenvolvimento de novas substâncias alternativas não
destruidoras da camada de ozônio que viessem a substituir as atuais SDOs. Assim, com o avanço de novas
tecnologias e através de um conjunto de emendas apresentadas em 1990 em Londres, os países-membros do
Protocolo de Montreal chegaram ao acordo com a finalidade de encerrar completamente (phase-out) a
produção dos CFCs até o ano 2000 e estabelecer metas para o Fundo Multilateral visando a implementação
do Protocolo de Montreal com o objetivo de financiar desenvolvimentos técnicos para o setor, subsidiando
principalmente os países em desenvolvimento, entre outras providências. Até então, o Protocolo de Montreal
já contava com o apoio de mais de 160 nações motivadas a propor e auxiliar na busca de soluções a um
problema que teimava em continuar se desenvolvendo. (El-Ashry, 1997).
Apesar dos esforços estabelecidos até o início da década de 1990 e das ações políticas adotadas pelas
Partes, que outrora apresentavam compromissos vinculantes com objetivos diferenciados, em 1991, a NASA
anunciou que o ozônio estratosférico havia atingido o nível mais baixo até então registrado: medições
indicavam 110 DU para um valor esperado de 300 DU. Neste mesmo ano, o Programa das Nações Unidas
para o Meio Ambiente (PNUMA) revelou estar havendo uma perda importante de ozônio, tanto na primavera
como no verão, sendo que o hemisfério norte também já apresentava sinais de potencial redução no nível de
ozônio.
No ano seguinte, em Copenhague, alguns países industrializados apresentaram propostas no sentido de
antecipar o "phase-out" dos CFCs para o ano de 1996. Acordos foram assinados ampliando o cronograma de
ação que definia prazos gradativos visando não só o fim da produção de CFCs, como também estipulando
datas para o encerramento da produção de HCFCs nos países desenvolvidos. Esses últimos possibilitaram a
geração de uma gama de misturas com propriedades específicas capazes de substituir diretamente os CFCs
56
em equipamentos em operação, e como tais, foram amplamente promovidos no início da regulamentação do
Protocolo de Montreal.
No caso dos países em desenvolvimento, que normalmente apresentam consumo per capita de SDOs
inferior a 0,3 kg/habitante, ficou estabelecido um prazo excedente de 10 anos, sobre os prazos de ação
fixados para os países desenvolvidos. Assim, conforme estabelece o calendário para eliminação das SDOs
nos países em desenvolvimento subscritos no Artigo 5 do Protocolo de Montreal, em 2010 deve ser
concluída a eliminação total dos CFCs, halons e tetracloreto de carbono (CCl4), ficando inicialmente para
2040 a eliminação total dos HCFCs.
No Brasil, as primeiras ações de restrição as SDOs ocorreram no âmbito da Secretaria Nacional de
Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde, que em 1988, atuou na definição de instruções para os rótulos
de embalagens de aerossóis que não contivessem CFC, proibindo também a fabricação e comercialização de
produtos cosméticos, de higiene e perfumes sob a forma de aerossóis, os quais tivessem propelentes à base de
CFC (MMA, 2001).
A adesão do Brasil à Convenção de Viena e ao Protocolo de Montreal, além dos ajustes estabelecidos
na reunião de Londres, se deu em 19 de março de 1990, forçando a elaboração de diversas normas e ao
estabelecimento de um plano de eliminação ao uso do brometo de metila como defensivo agrícola, além da
defesa de projetos nacionais junto ao Fundo Multilateral buscando a liberação de recursos financeiros para a
Implementação do Protocolo.
O consumo médio de SDOs por brasileiro é de cerca de 100g/ano, ou seja, consideravelmente inferior
ao teto fixado pelo Protocolo para países em desenvolvimento. Mesmo assim, contando com o prazo final até
2010, para eliminar a produção e o consumo dos CFCs, o governo brasileiro resolveu estabelecer um
cronograma antecipando algumas destas datas. Para 2001, ficou estabelecido o prazo final para a utilização
de CFCs em novos sistemas, equipamentos e instalações, nacionais ou importadas, tais como refrigeradores e
congeladores domésticos, condicionadores de ar domésticos ou automotivos e demais equipamentos de
refrigeração.
Com a criação do PBCO - Programa Brasileiro de Eliminação da Produção e Consumo das
Substâncias que Destroem a Camada de Ozônio e a partir da Resolução nº 13/1995 do CONAMA - Conselho
Nacional do Meio Ambiente, o governo brasileiro proporcionou grande impulso à implementação do
Protocolo de Montreal.
Em setembro de 2000, o CONAMA, implantou a Resolução nº 267, reformulando a Resolução nº
13/95, e estabelecendo novos prazos de restrição às importações de CFC-12, que obedece a uma redução
gradativa até 2007. Em linhas gerais, o novo cronograma prevê que os usuários deveriam reduzir o consumo
em 15% no ano 2001, prosseguindo nesta redução em 35% em 2002, 55% em 2003, 75% em 2004, 85% em
2005, 95% em 2006, até eliminar o uso da substância em 100% no ano de 2007, quando a importação fica
proibida.
Observa-se portanto, em nosso país, um reflexo da preocupação mundial com a causa da destruição da
camada de ozônio, que tem incentivado várias ações políticas, econômicas e tecnológicas motivando desde a
57
criação de novos produtos refrigerantes até o desenvolvimento de equipamentos e sistemas especialmente
criados para operar com estas novas substâncias.
7.7 – Desenvolvimento de Tecnologias Alternativas
Na busca de um novo cenário de desenvolvimento, a indústria de refrigeração e climatização de
ambiente, tendo como missão reduzir e posteriormente parar a total dependência criada pelo uso dos CFCs,
acabou aceitando o desafio, mas questionou os métodos necessários para se colocar em prática tal objetivo,
sobretudo dentro dos prazos prescritos nos acordos mundiais. Assim, durante a década de 1990, observou-se
o surgimento de importantes modificações no mercado industrial e comercial de refrigeração (Mouton,
1991).
Buscando concretizar as metas do Protocolo de Montreal, tratado internacional que representa um
marco para proteção ambiental, e seguindo as últimas rodadas de negociações estabelecidas em Viena (1995)
e em Montreal (1997), os controles referentes a emissão de SDOs foram sendo progressivamente
aumentados, de modo que a indústria se viu forçada a buscar novas alternativas para substituir os CFCs.
Entretanto, conforme retratado por Midgley (1997), não foi possível desenvolver uma única solução à
substituição de CFCs em todas suas aplicações, de modo que esse papel tem sido feito em conjunto pela
manutenção e conservação de equipamentos que ainda operam com CFC, melhorias tecnológicas e inspeção
em processos, recuperação e reciclagem, além da utilização de sistemas de limpeza aquosos, e substituição de
fluidos por hidrocarbonetos e halocarbonetos alternativos.
Para certas aplicações, predominantemente na utilização em equipamentos de refrigeração e ar
condicionado, o desenvolvimento de compostos com propriedades similares aos CFCs, como os HCFCs e os
HFCs, tem sido necessário para alcançar a rápida finalização da produção de CFCs e ao mesmo tempo
permitir que ao equipamento operar com uma economia de vida útil.
Os refrigerantes HCFCs permitiram desenvolver variados tipos de misturas com propriedades
específicas bastante semelhantes aos CFCs, sendo capazes de substituí-los diretamente nos equipamentos em
operação. Essas substâncias, derivadas dos CFCs, possuem ao menos um átomo de hidrogênio em
substituição a átomos de cloro, possibilitando a molécula menor tempo de vida útil dentro da atmosfera.
Além disso, os HCFCs possuem menor percentual de cloro por molécula, o que representa diretamente
menos risco à degradação do ozônio, devido a um potencial de destruição até três vezes inferior ao do CFC.
Graças a estas propriedades e a fácil aceitação por parte não só do mercado, mas principalmente dos
produtores de refrigerantes, que não necessitaram efetuar grandes modificações estruturais na linha de
produção, os HCFCs foram amplamente promovidos no início da regulamentação do Protocolo de Montreal.
No entanto, a comunidade científica se pôs em alerta, pois embora os HCFCs ainda possam ser utilizados
como fluidos refrigerantes, considerando um contexto de crescimento contínuo do consumo destas
substâncias, o objetivo maior do Protocolo, que consiste na recolocação dos níveis de cloro dentro da
estratosfera aos valores existentes antes da formação do “buraco” na camada de ozônio sobre a Antártida,
torna-se abalado.
58
Fato é, que os profissionais da indústria de refrigeração caminham na direção de utilizar os HCFCs
apenas como produtos alternativos durante a fase de transição para o fim das substâncias cloradas.
De acordo com Purvis et al. (2001), correlações matemáticas baseadas em estimativas da produção e
emissão de gases mostravam que em 1995, os HCFCs totalizavam cerca de 76% dos refrigerantes
disponíveis no mercado inglês. McCulloch e Midgley (1998), mostraram que a venda de HCFC-22, principal
refrigerante utilizado pela Comunidade Européia após a restrição aos CFCs imposta pelo Protocolo, cresceu
em média, 2700 toneladas por ano no período de 1990-1995, mas já vinha apresentando sinais de
crescimento mais moderado nos últimos anos.
Devido ao aumento das restrições impostas, o mercado de HCFCs tende a restringir sua produção, pois
a utilização desses refrigerantes permite apenas a redução, ao invés da eliminação do potencial de
depreciação do ozônio (ODP). Considerados soluções transitórias, segundo Purvis et al. (2001) após novas
retificações ficou estabelecido o prazo até 2015 para o término da produção destas substâncias na
Comunidade Européia.
Paralelo a isto, o mercado da refrigeração vem apresentando novas alternativas. O desenvolvimento de
misturas zeotrópicas para aplicação direta na substituição de CFCs é uma destas alternativas. Em geral, se
trata de misturas ternárias de vários refrigerantes, que são utilizadas para uma determinada aplicação
específica (Aguiló, 2001).
Há uma quantidade importante destas misturas, porém nem todas estão normalizadas e cada fabricante
tem diferentes tipos, que se diferenciam muito pouco entre si e suas aplicações, podendo cada produtor
registrá-las com uma denominação diferente. São misturas que não apresentam um ponto de ebulição e
condensação constante, devido as distintas volatilidades dos componentes que as constituem, e portanto,
exigem considerável análise ao substituir refrigerantes puros CFCs em equipamentos.
A grande maioria das misturas refrigerantes é formada por HCFCs combinadas com outra classe de
refrigerantes, os HFCs. Essas últimas substâncias são desenvolvidas a partir de hidrocarbonetos que não
possuem o cloro em sua composição, e por isso são recomendadas também para a utilização como
refrigerantes puros, principalmente a longo prazo, pois não contribuem com a destruição da camada de
ozônio, uma vez que possuem ODP nulo (Andrade, 1999; Guedes, 2000).
Apesar dos HFCs se apresentarem como boa alternativa na substituição aos CFCs e HCFCs, por não
destruirem a camada de ozônio, mantendo um tempo de vida reduzido na atmosfera, são substâncias
consideradas colaboradoras para o processo de aquecimento global. Neste sentido, o avanço científico na
área, encontra-se agora diante de uma nova preocupação decorrente do fenômeno de aquecimento
ocasionado pela emissão de gases na atmosfera, conhecido como efeito estufa. E com tais preocupações,
torna-se fundamental e necessário avaliar a contribuição relativa de cada composto ao aquecimento global
para se poder traçar uma noção de seu impacto ao meio ambiente, mesmo que diante do ozônio o seu nível de
destruição seja nulo.
Diante do controle de emissão dos gases na atmosfera e da nova conscientização que surgiu dado a
fragilidade do meio ambiente em que vivemos, espera-se que os refrigerantes alternativos HFCs não venham
a representar violento impacto conforme representava, na década de 80, os CFCs. Segundo Mouton (1991),
59
estudos já estão sendo realizados com este objetivo. Além disso, considerando que o nível de emissão de
CO2 deva crescer muito rapidamente, projeções realizadas mostram que o impacto dos refrigerantes
alternativos, principalmente os HFCs, será bastante pequeno.
A verdade é que o impacto ambiental dos refrigerantes sobre a camada de ozônio ou mesmo, sobre o
aquecimento global irá depender do nível de concentração na estratosfera. De acordo com Peixoto (2001), os
níveis futuros de CFCs e HCFCs serão controlados pela atual versão do Protocolo de Montreal; no entanto,
cabe ao Protocolo de Kyoto, a definição dos níveis futuros aceitáveis de HFCs.
7.8 – Diretrizes e perspectivas futuras
Com toda a evolução científica que está por detrás da estruturação e do desenvolvimento de novas
tecnologias fundamentadas com o intuito de substituir os CFCs por alternativas livres e inofensivas ao
ozônio, vários mercados apresentam a tendência a um propício crescimento econômico motivado pela
iniciativa da busca de uma solução a curto ou médio prazo. Assim sendo, diante da economia globalizada do
novo século, alguns segmentos têm recebido destaque dentro do cenário competitivo em ascensão. Entre
essas tendências mundiais, que criam condições para o desenvolvimento de negócios, estão a pesquisa de
produtos que substituam os CFCs, a técnica de reciclagem dessas substâncias postergando sua utilização,
além das ações técnicas visando promover a substituição desses fluidos frigorígenos em equipamentos de
refrigeração comerciais ou industriais.
Procurando atender as medidas regulamentares do Protocolo de Montreal, o desenvolvimento de
fluidos alternativos têm sido uma das áreas de crescimento promissor. Esse crescimento é também motivado
pelo custo que o produto representa dentro do mercado consumidor, além é claro, de sua abrangência que vai
desde o uso em novos equipamentos, até a substituição de fluidos em sistemas que se encontram em
operação.
Observa-se ainda que diante da necessidade do meio industrial em optar por tecnologias alternativas e
a pouca disponibilidade de recursos técnicos ou mesmo ausência de competitividade, o mercado de
refrigerantes tende a ficar sujeito às flutuações, impostas pelos principais produtores deste tipo de produto,
até que o avanço tecnológico modifique essas perspectivas.
Apesar disto, a substituição do fluido refrigerante em equipamentos que atualmente operam com
CFCs, prática conhecida como retrofit, aos poucos vem se tornado uma técnica de destaque dentro do ramo
da refrigeração, sendo que algumas experiências têm mostrado ser esta uma alternativa bastante viável.
No entanto, a técnica de substituição de fluidos alternativos exige cuidados especiais. Estudos
envolvendo esforços comuns de fabricantes de equipamentos, agências de serviço, fabricantes de
refrigerantes e institutos de pesquisa têm direcionado questionamentos para alguns problemas abrangentes
como:
- níveis de pressão e temperatura, performance e capacidade;
- compatibilidade e solubilidade entre lubrificantes e refrigerantes;
- impactos de umidade e resíduos químicos;
60
- re-projeto de equipamentos, componentes e compressores;
- custos operacionais (equipamentos, lubrificantes, refrigerantes).
De modo geral, observando-se alguns cuidados e certificando-se das normas exigidas, na maioria dos
casos constata-se que a substituição de CFCs em equipamentos atualmente em operação, pode significar
economia e lucratividade, dado o aumento de vida útil a que está se submetendo o equipamento que passará a
operar com fluido alternativo. Ainda assim, torna-se muito importante nestes casos, efetuar uma análise da
possibilidade e viabilidade da substituição, antes de simplesmente buscar adquirir um novo equipamento, ou
mesmo substituir alguma peça de um sistema frigorífico, sobretudo devido ao aumento no consumo de
energia que esses equipamentos podem vir a apresentar.
Neste cenário, além da motivação para com o desenvolvimento de novas pesquisas que procuram
avaliar as perspectivas da substituição ou da adequação de novos equipamentos, é importante destacar outras
iniciativas para implementação das ações estabelecidas pelo Protocolo de Montreal. A principal arma que a
humanidade tem em mãos para enfrentar os problemas que envolvem a destruição da camada de ozônio, é
sem dúvida estabelecer profunda conscientização em todos os níveis da sociedade. Este trabalho, até certo
ponto já tem sido desenvolvido nas estruturas de base do meio educacional, sobretudo diante da
reestruturação do ensino, da aplicação de recursos dos meios de comunicação (TV e internet) e da
implantação da educação ambiental dentro das prioridades da sociedade atual.
No entanto, observa-se ainda que é fundamental desenvolver um trabalho de base como os técnicos e
profissionais responsáveis pelo desenvolvimento do setor, para que os mesmos adquiram capacitação técnica
para operar como as novas alternativas do mercado, sem contudo prejudicar mais ainda o meio ambiente.
Torna-se sobretudo, essencial o desenvolvimento de iniciativas políticas e ações concretas com o objetivo de
adaptar os conhecimentos de técnicos e profissionais especializados aos rápidos processos de avanço
tecnológico que atualmente se vive, capacitando-os para poder enfrentar sem temores, o processo de
conversão, a partir de princípios termodinâmicos fundamentais, domínio de características de novos
lubrificantes e refrigerantes HCFC e HFC, assim como o conhecimento de novas técnicas alternativas em
desenvolvimento no mercado.
Somente assim, ampliando os horizontes de divulgação de novas informações e tecnologias ao setor
terciário, responsável em grande parte por efetuar as operações de substituição de fluidos refrigerantes, a
humanidade estará promovendo um ciclo de contínuo crescimento buscando atingir todas as prerrogativas
estabelecidas dentro dos objetivos concretos na luta pelo fim da destruição da camada de ozônio.
61
Capítulo 8 - SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO
Segundo Stoccker e Jones (1985), o ciclo de refrigeração por absorção foi inventado pelo francês
Ferdlnad Carré e patenteado nos Estados Unidos em 1860. O primeiro uso do sistema foi durante a Guerra
Civil norte americana pelos Estados Confederados, para o suprimento de gelo natural que havia sido cortado
pelos Estados do Norte.
O ciclo de absorção é similar em certos aspectos ao ciclo de compressão de vapor. Um ciclo de
refrigeração irá operar com o condensador, a válvula de expansão e o evaporador, representados na figura
8.1, se o vapor de baixa pressão do evaporador puder ser transformado em vapor de alta pressão e entregue
ao condensador. O sistema de refrigeração por compressão de vapor utiliza um compressor para efetuar esta
tarefa, enquanto o sistema de absorção, primeiro absorve vapor de baixa pressão em um líquido absorvente
apropriado. Incorporado ao processo de absorção existe a conversão de vapor em líquido, e desde que esse
processo é similar ao de condensação, o calor precisa ser rejeitado durante o processo. O passo seguinte
consiste em elevar a pressão do líquido com uma bomba e finalmente liberar o vapor do líquido absorvente
por adição de calor.
Figura 8.1 - Transformação de vapor de baixa pressão em vapor de alta pressão
em um sistema de refrigeração
Freqüentemente costuma-se dizer que o sistema de refrigeração por compressão de vapor é descrito
como um ciclo operando a trabalho, porque a elevação da pressão do refrigerante é conseguido por um
compressor que requer trabalho. Por outro lado, o sistema de refrigeração por absorção é referido como um
ciclo operando a calor porque a maior parte do custo de operação é associada com o fornecimento de calor
que libera o vapor do líquido de alta pressão. Na realidade, existe a necessidade de algum trabalho para
acionar a bomba no ciclo de absorção, mas a quantidade de trabalho para uma dada quantidade de
refrigeração e mínima, comparada àquela que seria necessária no ciclo de compressão de vapor.
Os equipamentos de refrigeração por absorção são máquinas de produção de frio ou quente que
operam com um dos princípios mais primitivos da refrigeração. O ciclo usa um absorvente como um fluído
secundário para absorver um fluído primário, sendo este um refrigerante que é vaporizado. O processo de
evaporação absorve calor (por exemplo da água), suprindo assim a refrigeração necessária.
62
Geralmente os equipamentos de absorção de amônia e água são usados em grandes aplicações
industriais, que requerem baixas temperaturas para o processo de resfriamento: nestes ciclos utiliza-se
amônia como refrigerante e água como absorvente. Outra modalidade menor de equipamento de absorção
usa água (refrigerante) e brometo de lítio (absorvente) para a produção de frio, podendo também gerar água
ou ar aquecidos, proporcionando conforto em aquecimento e outros propósitos domésticos (Costa, 1976).
A mais comum dessas máquinas é a de duplo efeito, para produzir água gelada no verão e água quente
no inverno, sendo que algumas podem produzir água fria e água quente simultaneamente. Nos equipamentos
de duplo efeito que empregam o sistema água e brometo de lítio, os equipamentos são comuns aos de uma
unidade de simples efeito e apresentam a vantagem de maior rendimento no ciclo. Atualmente na Europa,
sobretudo em instalações de ar condicionado é adotada preferencialmente a solução binária constituída de
água e brometo de lítio, que é menos perigosa do que a mistura de água e amônia. No entanto, aqui no Brasil
a grande maioria dos sistemas operam com misturas de água e amônia.
O maior inconveniente das máquinas de absorção é o seu consumo de energia, muito mais elevado que
o das máquinas de compressão mecânica. Por outro lado, estas máquinas têm a vantagem de utilizar a
energia térmica normalmente residual em lugar de energia elétrica, que é mais cara, permitindo assim uma
melhor utilização das instalações de produção de calor ociosas.
A capacidade da máquina de absorção é baseada no fluxo de calor disponível e nas temperaturas de
entrada e saída do líquido a ser resfriado ou aquecido (usualmente a água). De modo geral, um sistema de
refrigeração por absorção consiste basicamente em um evaporador, um absorvedor, um condensador, um
gerador, um trocador de calor, uma pequena bomba e auxiliares. Na parte inferior do sistema é localizado o
absorvedor e o evaporador que ocupam uma única carcaça. Na parte superior, em outra carcaça estão
localizados o gerador e o condensador.
No caso do sistema de água e brometo de lítio, o fluido refrigerante (água) vaporiza-se no evaporador,
como conseqüência da baixa pressão que é mantida, retirando calor do ar a ser refrigerado. No restante do
processo de absorção ocorre a regeneração do refrigerante para completar o ciclo.
A figura 8.2 ilustra um sistema de refrigeração por absorção empregando água e brometo de lítio.
Deve-se observar que o esquema mostrado é típico de uma máquina com única fase ou único estágio de
evaporação, sendo empregada para capacidades de 5 a 1500 toneladas de refrigeração (I 7,5 a 5280 kW).
No absorvedor, a solução fraca de brometo de lítio proveniente do gerador absorve o vapor de água
proveniente do evaporador para formar a solução forte (brometo de lítio diluído). A solução diluída é
bombeada através do trocador de calor, onde sua temperatura sofre um ligeiro aumento. Essa solução forte
de brometo de lítio é então encaminhada ao gerador, onde o calor residual (de chaminés ou disponíveis em
sistemas de cogeração como p.ex. biogás) é utilizado para desprender o vapor de água da solução fervente,
encaminhando-o para o condensador, onde é convertido em líquido que flui para o evaporador abaixo,
recomeçando novamente o ciclo.
A figura 8.3 apresenta uma unidade de duplo efeito, onde também utiliza-se brometo de lítio e água.
63
Figura 8.2 - Diagrama com duas carcaças, ciclo de água gelada e brometo de lítio
Figura 8.3 - Diagrama de duplo efeito, água e brometo de lítio, para a produção de água gelada.
64
Neste último esquema, denominado dual ou de unidade de duplo efeito, existem duas fases de geração.
A vantagem de dobrar o efeito da unidade é aumentar o coeficiente de performance.
Na figura 8.4 é mostrado um esquema típico de sistema de refrigeração por absorção empregando
solução de amônia e água. O vapor de amônia a baixa pressão que deixa o evaporador, entra no absorvedor
onde é absorvido pela solução fraca de amônia, formando a solução forte. A solução forte é então bombeada
através de um trocador de calor ao gerador, onde é mantida a uma alta pressão e temperatura. Nessas
condições, o vapor de amônia separa-se da solução, em conseqüência da transferência de calor dos gases da
fonte de alta temperatura (combustor). O vapor de amônia gerado vai para o condensador, onde é
condensado, dirigindo-se para a válvula de expansão e em seguida para o evaporador. onde evapora-se
retornado ao absorvedor. A solução fraca de amônia gerada no gerador, retorna ao absorvedor através do
trocador de calor, reiniciando o ciclo.
Figura 8.4 - Diagrama de um sistema de refrigeração por absorção, utilizando amônia e água
8.1 - Análise energética de um sistema de refrigeração por absorção
A análise matemática de um sistema de refrigeração por absorção é mais complexa que de um sistema
de compressão de vapor, sendo realizada através do balanço energético da instalação, tomando-se
indispensável o conhecimento perfeito do equilíbrio (relações em peso, temperaturas e pressões) entre o
fluido frigorígeno adotado e o líquido absorvente.
Conforme vimos no capítulo 2, as relações existentes entre temperaturas e concentrações de uma
mistura binária homogênea para uma mesma pressão, diferem da fase de vaporização para a fase de
condensação. Portanto, se uma solução homogênea contida em um cilindro provido de um êmbolo é
aquecida a pressão constante, ela permanecerá na fase líquida até atingir a temperatura t2, a qual depende da
concentração conforme pode-se observar no diagrama concentração-temperatura da figura 8.5.
65
Aumentando-se a temperatura além deste valor, o pistão começa a deslocar-se, indicando o início da
vaporização. Nesta fase constata-se que as concentrações de líquido e vapor são diferentes da concentração
inicial. Assim que todo o líquido for evaporado, ou seja, a partir do ponto 5 na figura 8.5, qualquer adição de
calor provocará um superaquecimento do vapor, mas sua concentração permanecerá constante.
Figura 8.5 - Linhas de equilíbrio em função da temperatura e concentração
O cálculo da fração vaporizada (ou condensada) e das composições do vapor e do líquido, durante a
vaporização contínua (ou condensação contínua) de uma solução binária pode ser feita a partir do balanço
material e energético da instalação, baseado no esquema apresentado na figura 8.6:
Figura 8.6 - Esquema de uma instalação evidenciando entrada e saída de fluxos
Onde: F ... descarga em peso da solução (alimentação)V ... descarga em peso do vaporL ... descarga em peso do líquidoH ... entalpia da solução (alimentação)Hl ... entalpia do líquidoHv ... entalpia do vaporx ... concentração do componente mais volátil na solução (alimentação)xl ... concentração do componente mais volátil no líquidoxV ... concentração do componente mais volátil no vapor
66
O balanço material total nos fornece: F = V + L (eq. 8.1)
Para o componente mais volátil, pode-se escrever: F.x = V . xv + L . xl (eq. 8.2)
Considerando a operação de vaporização adiabática, o balanço energético pode ser escrito como:
F . H = V . Hv + L . Hl (eq. 8.3)
Nestas condições, isolando a descarga em peso do líquido (L) na equação 8.1 e substituindo nas equações 8.2
e 8.3 obtém-se:
lv
l
xx
xx
F
V
−−
= (eq. 8.4)
lv
l
HH
HH
F
V
−−
= (eq. 8.5)
Assim, a partir da concentração inicial da solução binária (x) e das concentrações do líquido (xl) e
vapor (xv) dados para uma determinada condição T,P pelo diagrama de equilíbrio (figura 8.5), pode-se
calcular a fração vaporizada.
Entretanto, a solução mais prática consiste no uso de diagramas do tipo Entalpia-Concentração (H,x),
onde as linhas de equilíbrio são traçadas para várias pressões e temperaturas.
Estabelecida uma determinada condição de temperatura e pressão, T e P, pode-se locar o estado da
solução pela intersecção da isobárica e da isotérmica correspondentes, determinando sua concentração e
entalpia. Se a solução líquida é subresfriada, sua locação pode ser feita com boa aproximação. em função da
sua temperatura e concentração, visto que a entalpia de um líquido praticamente não varia com a pressão.
Na fase de vapor saturado seco, não estão registradas as linhas de igual temperatura, de modo que o
seu estado deve ser determinado a partir do estado líquido com o auxílio de linhas auxiliares conforme
apresenta a figura 8.7.
Figura 8.7 - Diagrama
entalpia versus
concentração
67
8.1.1 - Exemplo de cálculo de um sistema de refrigeração por absorção
Seja a instalação esquematizada na figura 8.8, a qual apresenta as seguintes premissas de cálculo:
potência frigorífica 100 TR; temperatura da água de condensação 25ºC e temperatura de evaporação -20ºC.
Figura 8.8 - Sistema de refrigeração por absorção NH3 - H2O
68
Verifica-se também que:
1312111098
654
321
1312111098
654
321
GGGGGG
GGG
GGG
xxxxxx
xxx
xxx
=========
=========
Como orientação inicial do projeto, pode-se arbitrar:
- a temperatura de condensação tc = t9 = tH2O+ 10ºC = 35ºC,
- a temperatura de subresfriamento t10 = t9 - 10ºC = 35 - 10 = 25ºC,
- a temperatura de absorção ta = tl = tH2O + 10ºC = 35ºC, e
- a temperatura de recuperação da solução fraca t5 = t5' = ta + 10ºC = 45ºC.
A largura de um processo de refrigeração por absorção (∆x) é definida como a diferença de
concentração amônia/água entre a solução rica que sobe do absorvedor e a solução pobre que desce do
gerador, e neste caso:
- ∆x = xl - x4 = 0,08
A concentração da solução retificada é x8 = 0,998.
As pressões correspondentes do funcionamento da instalação serão:
299 14998035 cm/kgfP,,x,Cºtt cc ====
Para determinar os elementos de caracterização completa da instalação em consideração, pode-se
relacionar: temperaturas, concentrações e entalpias em todos os pontos de mudança de estado do sistema; o
calor trocado nos diversos elementos que constituem a instalação; a descarga em peso da solução em todos
os circuitos e o rendimento frigorífico da instalação.
Com efeito, desprezando-se as resistências opostas ao escoamento e as perdas térmicas que se
verificam nas canalizações, pode-se calcular as grandezas características de cada estado apresentado pela
solução, com o auxílio do diagrama entalpia-concentração da figura 8.9.
21111 961998020 cm/kgf,P,,x,Cºtt ee ==−==
69
Figura 8.9 - Diagrama entalpia-concentração para o sistema NH3 - H2O
Assim. tem-se:
PONTO 1 (Líquido em equilíbrio) kg/kcal10H;355,0x;cm/kgf96,1PP;Cº35tt 112
E1a1 ======
PONTO 2 (Líquido em não equilíbrio) kg/kcal33,10)PP(AHH
355,0x;cm/kgf0,14PP;Cº35t
ec12
22
c22
=−σ+=====
PONTO 3 (Líquido em não equilíbrio) No intercambiador I1 verifica-se: G4 (H4 - H5) = G1(H3 - H2)
onde a entalpia H3 e a temperatura t3 são determinadas posteriormente.
PONTO 4 (Líquido em equilíbrio) kg/kcal105H;Cº5,121tt
275,008,0355,0xxx;cm/kgf0,14p
4G4
142
4
====−=∆−==
PONTO 5 e 5' (Líquido sub-resfriado) Como a entalpia do líquido em não equilíbrio varia muito pouco
com a pressão, ela pode ser calculada somente em função da temperatura.
kg/kcal22H;275,0x;cm/kgf0,14P;Cº45t 552
55 ====
PONTO 6 (Líquido expandido em uma operação de laminagem) kg/kcal22HHH 6'55 ===
70
PONTO 7 (Vapor em equil. no gerador) kg/kcal477H;866,0x;cm/kgf0,14P;Cº5,121t 772
77 ====
PONTO 8 (Vapor equil. no retificador) kg/kcal402H.);sat(998,0x;cm/kgf0,14P;Cº50t 882
88 ====
PONTO 9 (Líquido em equilíbrio) kg/kcal5,122H;998,0x;cm/kgf0,14P;Cº35t 992
99 =====
PONTO 10 (Líq. sub-resfriado) kg/kcal111H;998,0x;cm/kgf0,14P);arbitrada(Cº25t 10102
1010 ====
PONTO 11 (Líquido expandido em operação de laminagem) kg/kcal111HH 1110 ==
PONTO 12 (Vapor em equilíbrio) kg/kcal5,396H;998,0x;cm/kgf96,1P;Cº13t 12122
1212 ====
PONTO 13 (Vapor superaquecido) kg/kcal408)HH(HH;998,0x;cm/kgf96,1P 1091213132
13 =−+===
A potência frigorífica é dada por: Pf = 100.3024 = 302 400kcal/h, entretanto como Pf=G8(H13-H9),
determina-se a descarga no ponto 8, G8 = 1049,1 kgf/h. Deve-se observar que a potência frigorífica é
equivalente ao calor retirado no evaporador (QE).
De modo semelhante a descarga G6 é calculada através dos balanços: G1=G6+G13 e G1x1=G6x6 +
G13x13
h/kgf14,8432275,0355,0
355,0998,01,1049
xx
xxG
xx
xxGG
41
1138
61
113136 −
−=
−−
=−−
=
Finalmente, analisando o ponto 3, pode-se determinar o valor da entalpia:
,kgf/kcal14,84H)HH(G
GH 254
1
43 =+−= que corresponde a uma temperatura aproximada de 103ºC.
As quantidades de calor em jogo no sistema de refrigeração pode ser calculadas:
• Calor Cedido no Absorvedor: QA=G6H6 + G13H13 - G1H1 = 518 727 kcal/h
• Calor Consumido no Gerador: QG=G4H4 + G8H8 - G3H3 = 509 361 kcal/h
• Calor Cedido no Condensador: QC = G8 (H8 - H9) = 292 223 kcal/h
O balanço energético geral fornece: QE + QG = QC + QA ≅ 811 950 kcal/h, permitindo assim
calcular o coeficiente de efeito frigorífico:
594,0361509
400302
Q
Q
G
E ===∈
71
Capítulo 9- ANÁLISE TÉCNICA DE SISTEMAS EM APLICAÇÕES INDUSTRIAIS
E COMERCIAIS
Neste capítulo veremos alguns exemplos de aplicações industriais e comerciais visando a possibilidade
do aproveitamento energético através da cogeração. Embora esta tenha sido uma alternativa de incorporação
até certo ponto complexa em um sistema energético, vários países vem adotando legislações favoráveis à
cogeração, como forma de assegurar a geração descentralizada de energia para garantir o suprimento
energético a preços competitivos, permitindo uma reorganização institucional capaz de suprir as metas de
economia planejadas sem colocar em risco o meio ambiente.
A grande maioria dos países europeus tem adotado legislações favoráveis ao uso racional de energia,
estabelecendo inclusive melhores preços para a aquisição de eletricidade excedente em sistemas de
cogeração. Esses esforços têm sido, em sua maioria, conseqüência de relacionamentos entre empresas locais
de distribuição de eletricidade e calor. sob a tutela comum de municípios ou pequenos agrupamentos
comunitários.
Para se ter uma idéia da importância destes sistemas alternativos, na Itália,. em 1987. um referendo
popular rejeitou as propostas que favoreciam a energia nuclear, tendo o governo de desativar as usinas em
operação e suspender a construção de novas usinas. Em 1988, um novo Plano Energético Nacional foi
elaborado dando ênfase à conservação de energia, à autonomia do suprimento energético e à preservação do
meio ambiente. Sobre estas novas diretrizes da política energética italiana, a cogeração começou a ganhar
impulso no país, apoiada por projetos de financiamento do Ministério da Indústria, Comércio e Artesanato
(MICA), passando a um acréscimo de 60% no potencial de geração de energia durante a década de 90.
Aqui no Brasil, estudos técnico-cconômicos de sistemas de cogeração compactos, na faixa de 25kW a
4MW, baseados em motores de combustão interna e turbinas a gás, revelam-se como interessantes meios
para geração descentralizada de energia, principalmente quando aplicados a alguns segmentos do setor.
Entretanto, o maior problema existente diz respeito a transação de excedentes, quanto a questão institucional
e tarifária.
Para avaliar estes aspectos, a Secretaria de Energia do Governo do Estado de São Paulo organizou um
grupo de estudos que vem debatendo e analisando a cogeração no setor terciário. Essa troca de idéias deve
gerar propostas para a regulamentação da compra de energia elétrica excedente de auto-produtores de
pequeno porte, já que existe um potencial significativo no setor, principalmente com o recente aumento de
oferta de gás natural.
72
9.1 - Cogeração com Motores de Combustão Interna: Estudo de caso para uma sub-unidade
Universitária
Com o aumento dos custos dos derivados de petróleo na década de 70, novos caminhos surgiram como
forma de conceber os processos de produção de calor e eletricidade, procurando utilizar fontes alternativas de
combustíveis para geração de calor e eletricidade. Entre essas formas de concepção, uma delas considera a
produção de calor, eletricidade e água de refrigeração através do uso de gases de escape de motores de
combustão interna. Esse processo, além de propiciar menor nível de poluição, dependendo do combustível
utilizado, implica em uma economia de energia primária.
Nos países desenvolvidos, essa forma de conceber calor e eletricidade tem sido bastante difundida,
consistindo usualmente em motores de combustão interna acoplados a geradores elétricos e a trocadores de
calor para recuperação de calor residual da água de refrigeração e dos gases de escape. Essas tecnologias
denominadas microgeradores ou ainda cogeradores compactos são constituídas de motores de automóveis ou
industriais modificados para operar com gás natural, biogás, GLP, óleo diesel entre outros combustíveis
(raramente gasolina), desenvolvidas e comercializadas em unidades modulares.
A menor capacidade elétrica comercialmente disponível para essas unidades é de 7kW (denominada
TOTEM 7 - Total Energy Module), entretanto unidades com capacidade de 2kW, típica de uma residência
familiar, encontram-se em desenvolvimento nos Estados Unidos (Amundsen, 1990).
Os componentes principais de uma unidade de microgeração consistem no motor, no gerador elétrico,
no sistema de recuperação do calor residual, no sistema de controle (que assegure a segurança e eficácia da
instalação) e quando necessário, um isolante acústico para evitar ruídos excessivos.
Essas unidades que utilizam motor de combustão interna podem ser projetadas para a conversão de 50
a 70% da energia do combustível entregue ao sistema na forma de calor e 23 a 30% disponível na forma de
eletricidade, apresentando um rendimento energético que varia de 80 a 98%.
A figura 9.1 apresenta de maneira esquemática, o funcionamento de um sistema de cogeração
compacto, mostrando o processo de recuperação do calor residual dos gases de escape e da água de
refrigeração do motor.
Associados a este sistema existem outras alternativas, como por exemplo, o acoplamento de uma
unidade de cogeração a uma bomba de calor por compressão de vapor, que além de gerar energia elétrica,
utiliza o ciclo de compressão a vapor para aquecimento de ambientes. O acoplamento de um microgerador
com uma bomba de calor por absorção, permite que o calor disponível no sistema de cogeração seja utilizado
na refrigeração de ambientes, reduzindo a demanda elétrica dos condicionadores tradicionais.
73
Figura 9.1 - Representação esquemática de um sistema de cogeração compacto
9.1.1 - Análise técnica de uma sub-unidade universitária
Silveira (1994) desenvolveu um estudo técnico com o objetivo de escolher um ciclo de cogeração
consistente com as necessidades energéticas do prédio do Laboratório de Combustíveis Alternativos (LCA)
da Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP.
Após o cálculo e determinação das demandas térmica e elétrica do laboratório, partiu-se para a escolha
do ciclo de cogeração que é função do balanço térmico, sendo que, um fator preponderante é o nível de
temperatura desejado para a utilização do calor. As potências de pico estimadas são de 45kW para a potência
elétrica, considerando um fator de demanda de 0,60 a 76kW para a potência térmica.
O esquema básico do sistema é apresentado na figura 9.2, onde o calor residual disponível será
utilizado para a produção de ar frio em um sistema de refrigeração por absorção, sendo a eletricidade gerada
suficiente para atender a demanda do locar e eventualmente disponível para descarga na rede pública.
Entre os combustíveis disponíveis na região, encontram-se o óleo diesel, o álcool e o gás natural,
entretanto a análise econômica sugere a utilização do gás natural, conforme veremos adiante.
Os balanços material e energético são ferramentas essenciais para a análise pretendida, permitindo
quantificar os fluxos de entrada e saída nos equipamentos. Assim, torna-se necessário a obtenção de
informações numéricas precisas das principais variáveis características, permitindo desenvolver a
sensibilidade energética do sistema como um todo e de suas partes, avaliando as parcelas de energia sujeitas
à recuperação e decidindo sobre as possíveis alternativas de operação.
74
Figura 9.2 - Sistema de cogeração para o laboratório LCA/UNICAMP
As equações para a análise energética do sistema envolvem a determinação do coeficiente de
performance do sistema de refrigeração por absorção (COP) e a potência suprida no combustível (Ecomb):
Ec
PfCOP = (eq. 9.1)
PCSQEcomb ⋅= (eq. 9.2)
onde: Pf... Potência frigorífica do sistema de refrigeração por absorção [kW]; Ec... Fluxo de calor residual
recuperado [kW]; Q ... consumo de combustível [l/h ou m3/h]; PCS ... poder calorífico do combustível
[kJ/l ou kJ/m3]
O cálculo das diversas eficiências envolvidas no processo é feita através das seguintes equações:
Eficiência de geração de calor:Ecomb
Ecngc = (eq. 9.3)
Eficiência do gerador elétrico: Ne
Epng = (eq. 9.4)
Eficiência de geração de energia elétrica: Ecomb
Epnge = (eq. 9.5)
Rendimento do motor: Ecomb
Nenm = (eq. 9.6)
Eficiência global do sistema de cogeração: nG = (Ec + Ep)/Ecomb = ngc + nge (eq. 9.7)
onde: Ep ... Eletricidade produzida [kW]; Ne ... Potência de eixo do motor [kW]
75
Na simulação do sistema de cogeração operando com as capacidades de 25kW, 45kW e 75kW
atribuídas à potência elétrica do microgerador, de maneira que houvesse possibilidade de simular o sistema
operando em déficit, auto-suficiência e excedente de eletricidade produzida, considerou-se os poderes
caloríficos do óleo diesel, álcool hidratado e gás natural como 3848lkJ/l, 22524kJ/l e 39356kJ/m3,
respectivamente (AAE, 1992).
Como procedimento de cálculo, Silveira (1994) assumiu uma eficiência de geração de calor de 60%,
63% e 61% para o sistema operando com óleo diesel, álcool e gás natural, sendo que 10% da energia suprida
pelos combustíveis são relativos as perdas mecânicas e por radiação do microgerador, implicando em uma
eficiência global em tomo de 90%. A tabela 9.1 apresenta o consumo de combustíveis em função da
capacidade do sistema.
Tabela 9.1 - Consumo de combustíveis
Tipo de CombustívelCapacidade do
Sistema Óleo diesel
[ l/h ]
Álcool hidratado
[ l/h ]
Gás natural
[m3/h]
25 kWe 7,8 14,8 7,9
45 kWe 14,0 26,6 14,2
75 kWe 23,4 44,4 23,7
A viabilidade econômica depende do custo de produção de eletricidade (ou energia mecânica) para
cobrir os custos suplementares em relação aos sistemas convencionais de atendimento. Os critérios de
rentabilidade de uma instalação de cogeração compacta depende da aplicação a que se destina. Os incentivos
relacionam-se com o curto tempo de retorno e a contabilidade no fornecimento de energia, enquanto o
retorno do investimento depende do custo de compra de eletricidade da rede, do preço de venda de
excedente, da quantidade de calor e eletricidade produzida, do período de utilização,. do custo de
manutenção e operação.
O custo de aquisição da unidade de microgeração envolve os custos dos componentes individuais da
unidade, dependendo do porte e principalmente do tipo de gerador elétrico empregado. Por outro lado, o
custo de instalação é função do tipo de equipamento,. do local da instalação e do tipo de construção
necessária.
O nível de manutenção de uma unidade de microgeração varia conforme o fornecedor sendo que os
contratos são feitos com a definição precisa do tempo de manutenção.
A determinação dos preços dos combustíveis utilizado é uma das variáveis que fundamentam a
determinação dos custos e a decisão final do projeto. Sendo assim, diante da oferta dos três tipos principais
de combustíveis, utilizou-se os dados fornecidos pela Agência para Aplicação de Energia:
76
- preço do óleo diesel: 0,0l7 US$/kWh
- preço do álcool hidratado: 0,026 US$/kWh
- preço do gás natural: 0,011 US$/kWh
Estabelecidos os custos para a produção do frio, a receita anual esperada é calculada pela soma dos
ganhos ou benefícios anuais devido à instalação do sistema (produção de eletricidade e ar frio., incluindo
eventual ganho sobre a venda de eletricidade excedente).
Considerando um período de operação de 2700 h/ano e utilizando as considerações propostas para os
custos, os resultados da análise de viabilidade econômica da instalação para uma taxa anual de juros de 12%,
apresentaram um período de amortização variando entre 4 e 6 anos com custos de produção de eletricidade
situado entre tarifas do setor comercial e residencial, utilizando o gás natural para uma capacidade de 45kWe
que assegura a auto-suficiência elétrica do recinto estudado. Segundo Radanne et al. (l990), esse período é
bastante razoável pois a vida útil dos sistemas como o proposto situa-se entre 55000 e 65000 horas.
Em função dos resultados da análise técnico-econômica realizada, fica evidente que a viabilidade de
sistemas de cogeração para o setor terciário, é facilitada quando da disponibilidade de combustíveis com as
características energéticas do gás natural (alta densidade de energia e boa eficiência de combustão), e devido
a uma relação de preço combustível/eletricidade relativamente baixa.
77
9.2 - Cogeração com Turbinas a Gás: Estudo de caso para um hospital
Os hospitais estão entre os estabelecimentos do setor terciário que possuem o maior consumo
energético por m2 de área construída. O consumo térmico em um hospital é bastante significativo, e de
acordo com experiências internacionais (Radanne et al., 1990; Mullins, 1993), esses estabelecimentos do
setor terciário apresentam as maiores viabilidades técnicas e econômicas para aplicação das tecnologias de
cogeração.
Dentre os fatores que contribuem para este fato destacam-se: a necessidade de maior confiabilidade
no abastecimento de energia elétrica e a manutenção compulsória de sistemas de atendimento emergencial;
a oportunidade para redução de gastos com energia elétrica e o crescimento da oferta de gás natural
(combustível adequado para sistemas de cogeração compactos).
As demandas de energia típicas em um hospital se enquadram no aquecimento, refrigeração,
lavanderia, preparação e estoque dos alimentos, entre outros usos. Os serviços que apresentam estruturas de
consumo de energia muito elevadas são a calefação, ventilação e ar condicionado; geração de água quente
para uso sanitário; iluminação; serviços de cocção dos alimentos e serviços de lavanderia.
Segundo Hu (1986), os equipamentos de ar condicionado, ventilação, aquecimento e de circulação,
tais como chillers, ventiladores, caldeiras e bombas, requerem em torno de 60% da carga térmica do
hospital e 65% de sua carga elétrica. Para os custos associados ao consumo de energia de um hospital, ele
sugere a distribuição típica mostrada na figura 9.3. Os custos com combustíveis e com eletricidade
constituem cerca de 8 a 15% do custo total de operação de um hospital.
Figura 9.3 - Distribuição dos custos com energia de um hospital
Portanto, diante deste contexto, a viabilidade da instalação de sistemas de cogeração em hospitais
pode ser assegurada pelo alto consumo de energia térmica e elétrica durante um elevado número de horas
ao longo do ano.
Outro aspecto positivo a considerar na instalação de sistemas de cogeração em hospitais é a
necessidade de geradores emergenciais de eletricidade, garantindo a continuidade de suprimento no caso de
uma possível falha do fornecimento de energia por parte da concessionária.
A magnitude e a simultaneidade das demandas de calor e eletricidade permitem que a tecnologia de
cogeração com uso de motor alternativo de combustão interna ou de turbina a gás, se adapte aos centros
78
hospitalares. Os equipamentos de cogeração com motor alternativo facilitam o projeto de instalações
modulares para a produção de energia em hospitais, enquanto que instalações utilizando turbinas a gás são
adequados a grandes centros hospitalares que possuem uma central a vapor para a distribuição de diferentes
serviços, não excluindo o uso de motores alternativos como um sistema complementar. Na tabela 9.2 são
apresentados os pontos em que cada uma das duas tecnologias mostra-se mais vantajosa
Tabela 9.2 – Diferenças básicas entre sistemas de cogeração
Turbina a gás Motor de combustão interna
Demanda de potência constante Variações de potência elétrica
Vapor de média ou alta pressão Vapor de baixa pressão ou água quente (120ºC)
Potência elétrica de base superior a 500kW Potência elétrica de base inferior a 1500kW
Preferência por cobrir o consumo térmico Preferência por cobrir o consumo elétrico
Grandes potências unitárias Fracionamento de potência
Dentre essas diferenças, a mais importante reside no fato dos sistemas de cogeração com turbinas a
gás apresentar uma única fonte de calor recuperável, ou seja o fluxo de gases quentes à elevada temperatura
(cerca de 500ºC), enquanto os motores de combustão interna permitem a recuperação de calor a níveis de
temperatura sensivelmente inferiores.
9.2.1 - Análise técnica de um hospital
Silveira (1994) apresentou uma análise técnica para a implantação de um sistema de cogeração no
Hospital de Clínicas Barão Geraldo da Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP. Este hospital
possui um total de 400 leitos, ocupa uma área de 60 000 m2 onde trabalham 3000 funcionários, atendendo
um público médio de 500 pessoas/dia.
Os insumos básicos utilizados para atender a necessidade deste hospital são:
- eletricidade para iluminação, acionamento de máquinas e equipamentos médios, entre outros;
- água para uso sanitário, na cozinha, no sistema de ar condicionado e em alguns equipamentos, tais como
caldeiras de água quente e a vapor;
- óleo combustível BPF (baixo ponto de fluidez) utilizado como combustível para a produção de vapor nos
geradores de vapor, em um consumo médio de 80 ton/mês;
- querosene para dar a partida nos geradores de vapor (consumo médio de 5000 litros por ano);
- gás liquefeito de petróleo (GLP) utilizado nos fogões da cozinha, com consumo médio anual de 9587 kg.
Para suprir as necessidades de energia elétrica, existem três subestações alimentadas pela
concessionária de energia CPFL em 11900V que possibilita ao mesmo uma capacidade instalada de
5800kW, sendo a capacidade contratada de 2000kW. No caso de falha no fornecimento, o hospital possui
dois geradores a diesel de 400kWe que consomem cerca de 100l/h de óleo e são encarregados de alimentar
79
o centro cirúrgico, o laboratório de emergência, a unidade de terapia intensiva e parte da iluminação. O
consumo elétrico mensal médio do hospital é de 77 269kWh na ponta e de 763 030kWh fora da ponta, com
um fator de potência de 0,85.
Cerca de 33% da energia elétrica consumida é para o funcionamento do sistema de ar condicionado, que
inclui a produção de água gelada nos chillers de compressão e a circulação de ar (através de ventiladores) nos
ambientes climatizados do prédio. O hospital possui quatro chillers que perfazem uma capacidade total de 700
TR (~2506kW frigorífico), produzindo água gelada na temperatura de 7ºC. Eles operam segundo ciclos de
compressão de vapor freon com um coeficiente de performance de 3,8.
Para a produção de água quente (60ºC), o hospital possui dois boilers que utilizam o vapor gerado
nas caldeiras para sua operação. A produção de vapor é garantida por três caldeiras de 7,5kgf/cm2, onde em
condições normais, somente uma é necessária para atender a demanda diária do hospital. A segunda é
mantida em ‘stand-by’ enquanto uma terceira sofre manutenção. A maior parte do consumo de vapor, cerca
de 60% do total é consumida na lavanderia, sendo cerca de 22% utilizado na cozinha e 18% na produção de
água quente.
Como um grande centro de alto consumo de energia, optou-se pelo uso da tecnologia de cogeração
com turbina a gás, utilizando duas possibilidades técnicas para a recuperação de calor. A primeira
possibilidade consiste em usar os gases de exaustão da turbina para a produção de vapor em caldeira de
recuperação, enquanto a segunda é pelo aproveitamento do calor de exaustão através da utilização direta
dos gases de escape, disponíveis na faixa de 400 a 600ºC, compatível com sistemas de refrigeração por
absorção ou sistemas de secagem.
Dentro das configurações possíveis de sistemas de cogeração para o Hospital das Clínicas, Silveira
(1994) considerou 4 casos:
• Caso 1: utilização de turbina a gás e caldeira de recuperação em substituição a produção de vapor nas
caldeiras atuais. O limite de geração que corresponde à máxima demanda é avaliada em 3600kg/h de vapor;
• Caso 2: utilização de turbina a gás e caldeira de recuperação para produção somente da quantidade de
vapor necessária à cozinha, consumo este avaliado em 800 kg/h de vapor;
• Caso 3: utilização de turbina a gás e caldeira de recuperação para produção somente da quantidade de
vapor necessária à lavanderia, o que corresponde a 2160 kg/h de vapor;
• Caso 4: utilização de turbina a gás e sistema de refrigeração por absorção com o uso direto de gases de
exaustão para a produção de água gelada em substituição ao sistema de refrigeração por compressão de
freon, cuja capacidade é de 700 TR (2506kW).
A figura 9.4 esquematiza uma instalação de cogeração com o uso direto do calor dos gases de
exaustão da turbina para produção de água gelada em sistema de refrigeração por absorção (caso 4).
80
Figura 9.4 – Sistema de cogeração para a produção de água gelada
A quantidade de calor recuperado dos gases necessária para as condições locais do hospital,
baseando-se nos casos estudados são:
- 3600 kg/h de vapor a 160ºC e um fluxo de calor residual recuperado de 3370 kW p/ o caso 1;
- 800 kg/h de vapor a 160ºC e um fluxo de calor residual recuperado de 749 kW p/ o caso 2;
- 160 kg/h de vapor a 160ºC e um fluxo de calor residual recuperado de 2020 kW p/ o caso 3;
- 2506 kW frig. (água gelada) e um fluxo de calor residual recuperado de 3855 kW p/ caso 4.
Assim, considerando a temperatura dos gases de exaustão entre 400 e 600ºC, liberados por uma
turbina a gás operando com gás natural de poder calorífico 39 356kJ/Nm3, pode-se dimensionar e selecionar
os melhores equipamentos para operar em cada caso. As principais características desses equipamentos são
apresentadas na tabela 9.3 e os procedimentos de cálculos utilizados (Mataix, 1973; Cohen et Al, 1987)
consideraram os valores de fluxo mássico dos gases necessários e as turbinas com disponibilidade de
recuperação o mais próximo possível das necessidades para cada um dos casos de cogeração no hospital.
81
Tabela 9.3 - Equipamentos selecionados para a cogeração no HC/UNICAMP
Casos
Fabricante/Fornecedo
r
CódigoEp
[kW]
RP m
[kg/s]
T4
[ºC]
nt
[%]
n
[rpm]
1 European
Gas Turbines
Hurricane 1600 9,2 6,99 600 25,46 27245
2 Turbomeca Astazou 300 5,6 2,54 490 18,02 1500/1800
3 Turbomeca Makila TI 1050 9,6 5,44 505 25,44 1500/1800
4 Siemens KWU PGT2 2000 12 9,98 544 24,99 22500
onde: Ep... eletricidade produzida;RP... taxa de compressão ou relação de pressão;m ... fluxo de gases de exaustão na saída da turbina;T4 ... temperatura dos gases de exaustão na saída da turbina;nt ... eficiência térmica da turbina; n ... número de rotações
Como as decisões de investimento em cogeração são feitas usualmente com base no custo de capital
e na receita ou taxa de retorno esperada, Silveira (1994) determinou aos custos de produção de eletricidade
e vapor ou água gelada para os casos estudados. Para o estudo da viabilidade econômica das opções de
cogeração propostas, foram feitas algumas considerações como um período de utilização equivalente a
7000h/ano, operando com gás natural de custo 0,011US$/kWh. A tabela 9.4 mostra os custos de produção
de eletricidade, vapor ou água gelada, considerando uma taxa anual de juros de 12% e um período de
amortização de 5 anos. Também são apresentados os custos de produção de vapor ou água gelada em
equipamentos convencionais, para efeitos de comparação.
Tabela 9.4 - Custo de produção de eletricidade e vapor ou água gelada em US$/kWh
CasosEletricidade
cogeradaVapor
cogeradoVapor
convencionalÁgua gelada
CogeradaÁgua gelada
Convencional
1 0,05589 0,02080 0,02043 - -
2 0,06760 0,01868 0,01976 - -
3 0,05816 0,02143 0,02062 - -
4 0,05617 - - 0,03075 0,03205
Como o preço de eletricidade comprada da rede local é de 0,070 US$/kWh, a avaliação dos custos de
produção de eletricidade pelos sistemas de cogeração apresenta importante ganho econômico. Com a taxa
de juros fixada em 12% e considerando um preço de venda de excedente de 0,050 US$/kWh, pode-se traçar
82
as curvas da receita anual esperada em função do período de amortização. Essas curvas são apresentadas na
figura 9.5.
Figura 9.5 – Receita anual esperada em função do período de amortização
Portanto, como resultado da análise técnico-econômica efetuada por Silveira (1994), existe maior
flexibilidade para implantação do caso 4, no qual um sistema de turbina a gás é associado a um sistema de
refrigeração por absorção, em substituição ao sistema de produção de água gelada por compressão de vapor.
Os fatores que prevaleceram sobre esta decisão foram o custo de produção de eletricidade relativamente
baixo, comparados à tarifa praticada pela concessionária; o menor custo de produção de água gelada
empregando o sistema de refrigeração por absorção com uso direto dos gases de exaustão da turbina e a
economia de 30% no consumo de eletricidade do hospital.
9.3 - Análise Técnica de um Sistema de Refrigeração por Absorção: O aproveitamento do biogás
Conforme vimos no capítulo 6, o biogás apresenta-se como uma importante fonte alternativa de
energia, estando presente no desenvolvimento de vários projetos ao redor do mundo, inclusive aqui no
Brasil.
Em 1998, Villela realizou um projeto para o aproveitamento energético do biogás que é gerado em
um reator anaeróbico da estação de tratamento de efluentes da Cooperativa Central de Laticínios do Estado
de São Paulo - Leite Paulista/unidade Guaratinguetá, visando melhorar a produção de água gelada a partir
da recuperação energética do calor gerado pela queima do gás, ao invés de simplesmente desperdiçar esse
potencial energético no meio ambiente.
83
A Leite Paulista é uma industria de processamento e produção de derivados do leite. O fornecimento
de matéria-prima é feito através de pequenos produtores da região de Guaratinguetá-SP, e antes de ser
utilizado para a fabricação de diversos itens, como iogurtes, flans, pudins e produtos de longa vida, o leite
in natura participa do processo de pasteurização.
A pasteurização é um processo de desinfecção rápida com reflexo mínimo sobre a composição e as
qualidades nutritivas do leite. Durante este processo, o leite é aquecido a temperaturas da ordem de 80ºC
durante um período que varia de 1 a 2 minutos, e imediatamente arrefecido a temperaturas inferiores a
10ºC, devendo assim manter-se até sua utilização ou consumo.
Portanto, a Cooperativa consome uma carga energética razoável, dividida em energia térmica
(geração de vapor, refrigeração) e energia elétrica. A figura 9.6 apresenta o consumo médio de vapor no
processo e as demandas típicas de eletricidade e potência frigorífica. A demanda frigorífica refere-se a
produção de água gelada a 1ºC para o funcionamento da câmara frigorífica da unidade.
A geração de vapor a uma pressão de 11kgf/cm2 é de cerca de 8500kg/h consumindo 654 kg/h de
combustível. A demanda de pico de eletricidade é de 2100kW, enquanto a potência frigorífica requerida é
cerca de 2725 kW.
Figura 9.6 – Consumo de vapor e demanda energética na Leite Paulista
84
Com relação ao biogás, sua geração se dá através da decomposição do material residual que é
normalmente misturado com água e enviado para tratamento. Para a fermentação desta biomassa a Leite
Paulista utiliza-se de um biodigestor modelo chinês. O poder calorífico inferior deste biogás é de
22475kJ/Nm3, sendo sua composição molar é apresentada na tabela 9.5.
Tabela 9.5 - Composição molar média do biogás da Leite Paulista
Componente Composição percentual
Metano (CH4) 62,7
Nitrogênio (N2) 13,4
Monóxido de carbono (CO) 5,0
Dióxido de carbono (CO2) 2,4
Vapor d’água 2,4
Gás sulfídrico (H2S) 14,1
A vazão média de biogás produzido é de 56,8 Nm3/h, podendo eventualmente atingir picos de
produção máxima de 80 Nm3/h. Todo o biogás produzido era queimado e jogado ao meio ambiente,
perdendo todo seu potencial energético. A proposta do trabalho realizado por Villela (1998) consistiu em
adaptar um combustor para queimar esse biogás aproveitando o potencial de calor residual liberado. O
combustor deveria possuir uma válvula de ar, permitindo manter a temperatura de saída dos gases em torno
de 1000ºC (valor limite). A vazão dos gases oriundos da combustão acionaria um sistema de refrigeração
por absorção (SRA) operando com amônia/água para produzir água gelada a 1ºC, necessária ao processo. A
figura 9.7 ilustra esquematicamente esse processo de integração energética.
Figura 9.7 – Esquema da instalação proposta
85
O combustor apropriado ao sistema é basicamente constituído de uma câmara de aço carbono
revestida internamente com tijolos refratários e isolantes, possuindo um volume interno de 1,08 a 1,63m3 de
acordo com a vazão de produção de biogás.
O biogás disponível na unidade é comprimido até atingir níveis de pressão adequados ao trabalho do
queimador, que é projetado de liga metálica especial para operação em ambiente de alta temperatura. O ar
de combustão é provido por um compressor radial, tendo sua vazão controlada para fornecer um excesso de
2,2 vezes a relação estequiométrica.
A figura 9.8 apresenta o esquema de instalação do sistema de refrigeração por absorção proposto para
a Leite Paulista. No gerador ocorrerá a dissociação da amônia, mediante o calor fornecido pelos gases de
exaustão no ponto 20. Essa solução forte de amônia é encaminhada ao retificador, onde ocorrerá seu
enriquecimento em amônia, garantindo um retorno de uma pequena fração de água para o gerador no ponto
8. Do retificador, a solução rica em amônia é encaminhada para o condensador, onde será liquefeita e fluirá
para o evaporador, sendo antes expandida isoentalpicamente e reduzindo sua temperatura e pressão.
No absorvedor, a solução fraca de amônia proveniente da solução não dissociada (ou solução fraca)
absorverá o vapor de amônia do evaporador, fazendo-se uma solução forte que recomeça o ciclo
novamente. No sistema ocorre a produção de água quente através da passagem de água pelo absorvedor e
posteriormente condensador, elevando a temperatura a níveis de 36ºC. A produção de água gelada é obtida
através da passagem de uma água de retorno do processo a uma temperatura de 11ºC pelo evaporador,
obtendo finalmente água gelada a 1ºC.
Figura 9.8 – Configuração do sistema de refrigeração por absorção
86
Os resultados da análise energética (fluxos de calor e trabalho de bomba) são mostrados através da
tabela 9.6, associados a vazão de biogás mínima de 58 Nm3/h e máxima de 80 Nm3/h.
Tabela 9.6 - Análise energética do sistema de refrigeração
Vazão mínima (58Nm3/h) Vazão máxima (80Nm3/h)
Fluxo de calor no absorvedor
Qa [kW]283,35 391,28
Fluxo de calor no
condensador
Qc [kW]
228,80 315,58
Fluxo de calor do evaporador
Qe [kW]222,60 307,03
Fluxo de calor no gerador
Qg [kW]296,79 409,37
Fluxo de calor do retificador
Qr [kW]79,53 108,72
Trabalho da bomba
Wb [kW]1,52 2,13
Fluxo de água fria
[kg/s]5,30 7,31
Fluxo de água quente
[kg/s]10,95 15,10
Considerando um período de funcionamento de 7000 h/ano, com uma taxa anual de juros de 12%,
para um preço de tarifa de compra de eletricidade de 0,069 US$/kWh, e um custo de biogás variando de 0 a
0,008 US$/kWh, Villela (1998) realizou um estudo técnico-econômico sobre os ganhos ou benefícios
anuais devido à instalação do sistema pretendido, considerando o sistema de refrigeração por absorção
(SRA).
A figura 9.9 apresenta a influência do período de amortização do capital investido (‘pay back’) na
receita anual esperada, com um custo de biogás nulo. Considerando um período de amortização de 5 anos, a
figura 9.10 mostra a influência do preço do biogás sobre a viabilidade econômica do investimento.
Observa-se através desta figura, que o caso a (volume mínimo de biogás) é o mais rentável, apresentando
viabilidade garantida para um valor de até 0,007US$/kWh e 0,0065US$/kWh no custo máximo de biogás.
Cabe salientar que com relação a tendência de aumento da tarifa de eletricidade, haverá forte influência no
87
sentido de implantação do sistema de refrigeração por absorção na referida planta industrial, pois o mesmo
apresentará maior vantagem econômica.
Figura 9.9 – Receita anual em função do período de amortização
Figura 9.10 – Receita anual em função do custo de biogás
Portanto, a análise técnica permite o aproveitamento racional das quantidades energéticas disponíveis
e aplicadas aos processo, possibilitando a implantação de um sistema de refrigeração com base no processo
de absorção. O caso a que utiliza o menor fluxo de biogás, apresentou-se como a melhor alternativa para a
88
produção de 223 kW frig., ficando confirmada a viabilidade econômica do uso do sistema de refrigeração
por absorção associado à combustão de biogás na Cooperativa.
89
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Edição e Diagramação: Prof. Dr. José Luz Silveira
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