Eficiência Energética no Uso de Vapor: Um Estudo de Caso no Aterro Sanitário de

Canhanduba, Itajaí – SC

¹Geizon Laureano

²George Bleyer Ferreira

RESUMO

Aterros sanitários utilizam fontes combustíveis em processos de tratamento térmico de resíduos

de serviços de saúde através da técnica de esterilização por autoclavagem. Os níveis de

eficiência energética desses sistemas são baixos e medidas técnicas viáveis de recuperação de

energia são praticamente inexistentes nesses locais. Diante deste fato, o presente trabalho tem

por objetivo, promover eficiência energética ao aterro sanitário de Canhanduba, através do

reaproveitamento do calor contido no efluente oriundo do processo de autoclavagem. A

metodologia de trabalho esteve baseada na modelagem geométrica do equipamento

desenvolvido para recuperação do calor residual do sistema e utilização de simulações

numéricas computacionais de transferência de calor conjugado para análise de seu desempenho

energético. A viabilidade econômica do projeto foi definida através da relação entre a redução

do custo de aquisição de combustível gerada pelo uso dessa tecnologia em comparação à

operação normal do sistema. Os resultados do projeto demonstraram que o trocador de calor

desenvolvido é viável do ponto de vista técnico e econômico, fato justificado pela sua

flexibilidade de aplicação em sistemas de esterilização com características operacionais

peculiares e por apresentar alta capacidade de recuperação do calor residual de autoclaves.

Palavras-chaves:

Aproveitamento de energia, trocador de calor, tecnologia sustentável.

INTRODUÇÃO

Historicamente, o ser humano sempre necessitou de recursos energéticos para satisfazer

suas necessidades básicas, tanto para alimentação, como para fonte de calor externo, iluminação

e trabalho. À medida que o homem passa a compreender seus benefícios, utiliza-os de forma a

potencializar suas atividades, propiciando assim, maiores expectativas quanto à garantia de

sobrevivência e desenvolvimento das atuais e futuras gerações (GOLDEMBERG; PALETTA,

2012).

Diante da crescente demanda energética proveniente do aumento populacional e

consumo de bens e serviços, o uso mais eficiente de energia passa a ser uma temática

representativa, tendencialmente demonstra ser uma solução adequada para resolução de parte

dos potenciais conflitos pelo uso de energia, num curto período de tempo, com menores

esforços econômicos e impactos ambientais negativos (HODGE, 2011).

A energia é base fundamental para garantia do desenvolvimento de todos os setores da

economia. A forma mais aceitável atualmente para resolução de conflitos pelo uso das fontes

finitas de energia é a racionalização de seu uso, (PEREIRA M.; PEREIRA S., 2009). Para

Nogueira et al. (2005), é importante destacar sob o ponto de vista da racionalização no uso de

energia, a importância que a mesma representa na óptica estratégica e de imagem de uma

empresa, haja vista que o mercado está orientado a dar preferência a produtos e serviços de

empresas comprometidas com ações de conservação do meio ambiente. Nesse sentido,

empresas que pretendem alcançar maior espaço no mercado, não podem admitir o desperdício

de energia, sem utilizá-la de forma eficiente e responsável.

Aterros sanitários utilizam fontes combustíveis em processos de tratamento térmico de

resíduos de serviços de saúde através da técnica de esterilização por autoclavagem. Os níveis

de eficiência energética desses sistemas são baixos e medidas técnicas viáveis de recuperação

de energia são praticamente inexistentes nesses locais. Um sistema de autoclavagem é

composto de uma caldeira estacionária a vapor e uma autoclave. A função da caldeira é produzir

vapor para a autoclave sob alta temperatura e pressão. A autoclave armazena em seu interior os

resíduos a serem tratados e o vapor produzido pela caldeira. Ambos permanecem em contato

no interior da autoclave por um período de tempo predefinido, até que os níveis de

patogenicidade dos resíduos sejam considerados seguros, pois o vapor nessas condições possui

a capacidade de esterilizar objetos. No final desse procedimento, o vapor e o condensado

formado são retirados do interior da autoclave e os resíduos são encaminhados para aterro.

O efluente resultante de um processo de esterilização por sistema de autoclavagem

possui alto teor de energia térmica, passível de recuperação através de trocadores de calor

projetados para atender as peculiaridades técnicas de cada sistema. A energia térmica

recuperada pode ser utilizada para aquecimento da água de alimentação do sistema e

consequentemente reduzir seu consumo de combustível. Nesse sentido, o presente trabalho tem

por objetivo, promover eficiência energética ao aterro sanitário de Canhanduba, através do

reaproveitamento do calor contido no efluente oriundo do sistema de autoclavagem.

METODOLOGIA

O local objeto de estudo do presente trabalho é o aterro sanitário de Canhanduba,

localizado no município de Itajaí, estado de Santa Catarina. O setor analisado foi o de

tratamento de resíduos de serviços de saúde, (Figura 01).

Figura 01 – Representação do setor de tratamento de resíduos de serviços de saúde.

Fonte: (AUTOR, 2015).

Os programas computacionais utilizados para o desenvolvimento da tecnologia de

recuperação de calor residual foram o Autodesk AutoCAD 2015, utilizado para a elaboração

dos desenhos técnicos e o COMSOL Multiphysics 4.4, utilizado para a modelagem geométrica

e simulação de desempenho energético do equipamento projetado.

Os módulos empregados no acoplamento multifísico do programa COMSOL

Multiphysics foram os de escoamentos em condutos e o de transferência de calor em sólidos e

fluídos, em regime espacial tridimensional e bidimensional axissimétrico para tempos

transientes e estacionários. O acoplamento realizado resultou em equações que relacionam

grandezas hidrodinâmicas de distribuição de vazão e pressão e termodinâmicas com processos

de transferência de calor por condução e convecção, (Equação 01), (COMSOL, 2013).

𝜌A𝐶𝑝𝜕𝑇

𝜕𝑡 𝜌A𝐶𝑝𝐮 ∙ ∇𝑇 = ∇ ∙ A𝑘∇𝑇 + 𝑓𝐷

𝜌A

2𝑑ℎ

|𝐮|3 + Q (01)

𝜌 = Massa específica, [kg/m³]

𝐴 = Área, [m²]

𝐶𝑝 = Capacidade térmica, [J/(kg.K)]

𝑇 = Temperatura, [K]

𝑡 = Tempo, [s]

𝐮 = Velocidade, [m/s]

𝑘 = Condutividade térmica, [W/(m.K)]

𝑓𝐷 = Fator de atrito de Darcy

𝑑ℎ = Diâmetro hidráulico, [m]

Q = Dissipação de energia, [W/m]

As perdas de carga e alterações de vazão ocasionadas pela rugosidade do material

empregado na geometria do equipamento foi determinada utilizando o coeficiente de fricção de

Darcy, (Equação 02) e a correlação de Reynolds para regimes de escoamento, (Equação 07).

𝑓𝐷 = 8

[

(8

Re)12

+ ( [−2,457ln((7

Re)0,9

+ 0,27 (𝑒

𝑑ℎ))]

16

+ (37530

Re)16

)

−1,5

]

112

(02)

Para determinação do termo de transferência de calor por condução e convecção

(Equações 03), o modelo relaciona grandezas como o coeficiente global de transferência de

calor, (Equação X) ao qual é alimentado pelos coeficientes de condução e convecção (Equações

04 à 06).

Q = ℎ𝑍(𝑇ext − 𝑇) (03)

ℎ𝑍 = 2π

1𝑟0ℎ𝑖nt

+1

𝑟𝑁ℎext+ ∑ (

𝑙𝑛 (𝑟n

𝑟n − 1)

𝑘n)𝑁

n=1

(04)

ℎ𝑖nt = Nuint

𝑘

𝑑ℎ (05) ℎext = Nuext

𝑘

𝑑ℎ (06)

O conjunto de números adimensionais de Reynolds, Prandtl, Nusselt e Grashof,

(Equações 07 à 12) foram utilizados nas equações do modelo, pois representam as relações

existentes entre as forças inerciais e viscosas, difusões térmicas e de momento nas simulações

realizadas.

Re =𝜌𝐮𝑑ℎ

μ (07) Pr =

𝐶𝑝μ

𝑘 (08)

Nuint = (𝑓𝐷8

) (Re − 1000)Pr

1 + 12,7√𝑓𝐷8 (Pr

23 − 1)

(09) Nuext =

(

0,6 +0,387(PrGr)

16

(1 + 0,559

Pr916

))

(10)

Gr =𝑔𝛽|∆𝑇|𝑑ℎ

3

(μ𝜌)

2 (11) 𝛽 = −1

𝜌(𝜕𝜌

𝜕𝑇)|

p

(12)

𝑒 = Rugosidade superficial, [m]

ℎ = Coeficiente de convecção, [W/(m².K)];

𝑍 = Perímetro molhado, [m]

μ = Viscosidade dinâmica, [Pa.s]

Re = Número de Reynolds

Nu = Número de Nusselt

Pr = Número de Prandtl

Gr = Número de Grashof

O período de amortização do investimento, (Equações 13 à 15) foi definido com base

na redução do custo de aquisição de combustível gerado pelo uso dessa tecnologia em

comparação à operação normal do sistema.

mco−f =mv(hv − haf + heq − hef) − ∑Pe

η Pc (13)

E$ = (mco−i − mco−f) ∙ PC$ ∙ n°p (14)

n =− log (1 −

C$ ∙ iE$

)

log(1 − i) (15)

mco−f = Consumo de combustível utilizando água quente, [kg/Ciclo]

mco−i = Consumo de combustível utilizando água fria, [kg/Ciclo]

mv = Demanda de vapor, [kg/Ciclo]

haf = Entalpia da água fria, [kJ/kg]

haq = Entalpia da água quente, [kJ/kg]

hef = Entalpia do efluente frio, [kJ/kg]

heq = Entalpia do efluente quente, [kJ/kg]

Pe = Perdas energéticas, [kJ/Ciclo]

PC$ = Preço do combustível, [R$/kg]

Pc = Poder calorífico, [kJ/kg]

η = Eficiência energética da caldeira

C$ = Custo do projeto, [R$]

n°p = Ciclos de esterilização

i = Taxa de juros

RESULTADOS

A tecnologia de recuperação de calor residual do efluente oriundo do sistema de autoclavagem,

consiste em um trocador de calor do tipo serpentina helicoidal com regime de fluxo em batelada.

O formato do equipamento é cilíndrico e possui dois compartimentos internos, um para

armazenar efluente provindo da autoclave e outro para armazenar a água de alimentação da

caldeira estacionária a vapor. No compartimento de efluente localiza-se a serpentina de troca

de calor, a entrada e saída do tubo é conectada ao compartimento de água.

A medida que a água percorre o interior do tubo de cobre da serpentina, ocorre a transferência

do calor contido no efluente para a água de alimentação do sistema. Ambos os reservatórios são

termicamente isolados com poliuretano e revestidos de aço inox 316L para redução de efeitos

intempestivos. Um esquema de automação foi previsto de forma a interligar o trocador de calor

com o sistema de autoclavagem. Esse procedimento ocorrerá através de válvulas solenoides

controladas pelo CLP da caldeira e da autoclave a medida que for necessário a troca de calor

ou o uso de água para alimentação da caldeira.

A água entra na caldeira a uma temperatura de 20°C e é utilizada para produzir 250kg/h de

vapor, sob uma pressão absoluta de 10 kgf/cm², utilizando combustível gasoso GLP. A

demanda de vapor da autoclave é de 180 kg/h, na temperatura de 137°C e pressão absoluta de

3,3 kgf/cm². Nessas condições operacionais, o efluente resultante do processo de esterilização

permanece a 107,5°C.

Os resultados de desempenho energético do trocador de calor, mostram que o equipamento para

as condições de contorno supracitadas, é capaz de pré-aquecer a água de alimentação do sistema

de autoclavagem para 87,5°C, atingindo um nível de eficiência energética da ordem de 51%. O

gráfico a seguir, (Figura 01) mostra a distribuição espaço-temporal de temperatura na serpentina

de troca térmica. Com base nesses resultados, observa-se que a taxa de troca de calor é

evidenciada nos momentos iniciais de simulação, pois o diferencial de temperatura elevado

supera as resistências térmicas existentes no limiar entre o efluente, o material da serpentina e

a água em aquecimento.

Figura 01 - Distribuição espaço-temporal de temperatura na serpentina de troca térmica.

Fonte: (AUTORES, 2015).

No intuito de compreender o processo de resfriamento do efluente no interior do trocador de

calor, o gráfico a seguir, (Figura 02) apresenta os resultados da simulação realizada no

compartimento de armazenamento de efluente. Como pode ser observado, o fato da descarga

de efluente no trocador de calor ser em batelada, influencia diretamente na efetividade de troca

térmica do equipamento, pois o modelo leva em consideração um efluente estático, que

transfere sua energia térmica somente na camada limite termodinâmica.

O gradiente térmico do efluente nesse componente é heterogêneo, (Figura 02) e não permite a

recuperação integral do calor residual do efluente. Essa limitação técnica pode ser superada

através do uso de um componente hidráulico interno que promova a recirculação do efluente e

favoreça a troca de calor por processo de convecção forçada, um artifício a ser adotado para

superar as resistências térmicas existentes na camada limite termodinâmica.

Figura 02 - Distribuição espaço-temporal de temperatura na serpentina de troca térmica.

Fonte: (AUTORES, 2015).

As perdas energéticas nas linhas hidráulicas de distribuição de água e efluente quente, e no

envoltório do trocador de calor, foram contabilizadas nas simulações numéricas e resultaram

em perdas de aproximadamente 90 kJ de energia térmica a cada processo de esterilização. A

figura 03, mostra a distribuição de temperatura no envoltório do equipamento, com intuito de

verificar a eficiência do isolamento térmico utilizado em sua estrutura, os resultados mostram

que a temperatura externa permanecerá em cerca de 50°C, devendo ser tomado as medidas

cabíveis de segurança para evitar a ocorrência de queimaduras nos colaboradores da empresa.

Por fim, os resultados da análise de viabilidade econômica demonstraram que o custo total de

aquisição do trocador de calor, componentes de instalação e prestação de serviços técnicos,

resultariam em 8030 R$, mas promoveria uma redução mensal no consumo de combustível de

aproximadamente 975 R$, retornando o investimento em um período de 9 meses e gerando uma

economia da ordem de 42%. Com relação a viabilidade técnica, é evidente que as peculiaridades

operacionais do sistema devem ser levadas em consideração, pois este fator pode limitar a

viabilidade do projeto à medida que os custos com componentes de instalação e mão de obra

especializada superem a economia financeira promovida pelo uso dessa tecnologia.

Figura 03 - Distribuição de temperatura no envoltório do trocador de calor.

Fonte: (AUTORES, 2015).

CONCLUSÕES

O desenvolvimento e adoção de tecnologias eficientes de energia, demonstra ser uma

das estratégias mercadológicas de melhor relação custo benefício, pois reduz custos

operacionais e minimiza aspectos e impactos ambientais negativos decorrentes da prestação de

serviços, além de transparecer diante de clientes e colaboradores, ações ambientalmente

sustentáveis em locais produtivos.

No tocante a este trabalho, a tecnologia de recuperação de calor residual mostra-se eficaz

no aumento dos níveis de eficiência energética do aterro sanitário de Canhanduba. O modelo

de trocador de calor proposto para uso no sistema de autoclavagem é adequado para o

aproveitamento da energia térmica oriunda do processo de esterilização, visto que o

equipamento recuperou cerca de 51% do calor residual do sistema. Além disso, sua viabilidade

econômica foi comprovada através de um período de retorno de investimento relativamente

curto, em que a economia de energia promovida pelo uso dessa tecnologia se auto amortizaria.

As particularidades técnicas do local estudado se mostraram de extrema importância na

definição da viabilidade técnica e econômica do equipamento projetado, pois os custos

decorrentes da prestação de serviços, aquisição de materiais e acessórios a serem utilizados em

conjunto com o trocador de calor, constituem aproximadamente metade dos custos totais do

projeto e podem limitar a adoção dessa tecnologia em sistemas para tratamento térmico de

resíduos de serviços de saúde.

O desempenho termodinâmico obtido com o projeto do trocador de calor, foi

prejudicado pelo fato do efluente, principal fonte de energia térmica do equipamento, ser

descarregado em batelada e permanecer estático, essa situação faz com que a transferência de

calor ocorra somente na interface da camada limite termodinâmica compreendida entre a água

e o efluente. Logo, propõe-se o uso de um componente hidráulico interno, que promova a

recirculação do efluente e favoreça o transporte de energia por convecção forçada.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

COMSOL. Heat Transfer Module: User Guide. 4.4 Estocolmo: COMSOL, 2013. 394 p.

COMSOL. Pipe Flow Module: User Guide. 4.4 Estocolmo: COMSOL, 2013. 126 p.

GOLDEMBERG, José; PALETTA, Francisco Carlos. Série Energia e Sustentabilidade:

Energias Renováveis. São Paulo: Blucher, 2012. 110 p.

HODGE, B. K. Sistemas e Aplicações de Energia Alternativa. Alabama: LTC, 2011. 324 p.

NOGUEIRA, Luiz Augusto Horta; ROCHA, Carlos Roberto; NOGUEIRA, Fábio José H.

Eficiência Energética no Uso de Vapor. Rio de Janeiro: Procel Info, 2005. 196 p.

PEREIRA, Mario Jorge; PEREIRA, Sostenes. Energia: Eficiência e Alternativas. São Paulo:

Ciência Moderna, 2009.