UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

UM MODELO TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE RECUPERADOR DO CALOR SENSÍVEL CONTIDO NOS GASES DA DESCARGA DE UMA

MICROTURBINA

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM

ENGENHARIA MECÂNICA

RICARDO AURÉLIO FRAGOSO DE SOUSA

Recife, 22 de setembro de 2005

S725u Sousa, Ricardo Aurélio Fragoso de.

Um modelo teórico-experimental de recuperador do calor sensível contido nos gases da descarga de uma microturbina / Ricardo Aurélio Fragoso de Sousa. – Recife: O Autor, 2005.

72 folhas.; il., gráfs., tabs.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2005 .

Inclui Referências bibliográficas e Anexo. 1. Engenharia Mecânica. 2. Recuperador de calor. 3.

Microturbina. I. Título. 621 CDD (22.ed.) UFPE/BCTG/2008-013

“ UM MODELO TEÓRICO-EXPERIMENTAL DE RECUPERADOR DO CALOR SENSÍVEL CONTIDO NOS GASES DA DESCARGA DE UMA

MICROTURBINA”

RICARDO AURÉLIO FRAGOSO DE SOUSA

ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTE EM ENGENHARIA MECÂNICA

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: PROCESSOS E SISTEMAS TÉRMICOS APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO

CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA/CTG/EEP/UFPE.

"A humildade é a chave que abre todas as portas”.

São Francisco de Assis

DEDICATÓRIA

Para Luzia, em memória. À minha família.

AGRADECIMENTOS Para Deus, sempre presente. À professora Ana Rosa Primo, pelo apoio e incentivo. Ao professor José Carlos Charamba Dutra, pela orientação na realização deste trabalho. A Guilherme Oliveira, Gustavo Lira e Rafael Correia pela inestimável ajuda na preparação do experimento. À senhora Eliana Alves da Silva, pelo apoio na área administrativa. Aos professores do Mestrado em Engenharia Mecânica.

RESUMO

No presente trabalho foi desenvolvido um modelo teórico-experimental para determinação do desempenho de um recuperador do calor sensível contido no gás de combustão originado de uma microturbina. A parte experimental foi realizada na planta COGENCASA da UFPE, onde uma microturbina, fabricação CAPSTONE, de 30 kW de potência de pico, consome gás natural e fornece energia elétrica. Os gases de combustão, após saírem da turbina, passam por um recuperador de calor, onde parte do calor sensível é transferido para a água no recuperador de calor. O recuperador de calor é um trocador de calor compacto. Através de medidores de temperatura (termopares) e medidores de vazão foi possível a obtenção do desempenho do recuperador de calor. A parte teórica foi desenvolvida através do balanço de massa e energia no trocador de calor tendo sido elaborado um programa em MATLAB, que determinou o valor da energia térmica cedida pelos gases de combustão e o valor da energia térmica recebida pela água. Realizou-se, então, uma comparação entre os valores encontrados na parte experimental e os valores indicados em catálogos de um recuperador de calor, similar ao que é objeto do estudo. Concluiu-se, por fim, que os valores obtidos através do programa desenvolvido estavam similares aos valores indicados pelo fabricante do trocador. Palavras-chave: 1. Engenharia Mecânica. 2. Recuperador de calor. 3. Microturbina

ABSTRACT

The present work describes a theoretical and experimental model to determine the performance of a sensible heat-recovery for the exhaustion of a micro-turbine. The experimental part of this work was carried out at the laboratory COGENCASA/UFPE, a laboratory completely dedicated to research on micro co-generation using natural gas. In this laboratory operates a 30 kW micro turbine by Capstone, which produces energy using natural gas. The exhaustion of the micro turbine is diverted to a heat-recovery, where sensible heat is transferred to the water. The heat-recovery is in fact a compact heat exchanger. Its performance was evaluated by means of temperature measurements (thermocouples) and flow meters. The theoretical part of this work was developed through an energy and mass balance in the heat exchanger using MATLAB. This balance indicated the thermal energy transferred out of the exhaustion as well as the thermal energy received by the water. A comparison between the experimental data and the values given by the developed program was carried out, revealing that the mathematical model is a valid issue to represent the functioning of the used heat-recovery.

Key words: 1. Mechanical engineering. 2. heat-recover. 3. Microturbine

SIGLAS E SÍMBOLOS

SIGLAS E SÍMBOLOS

DESCRIÇÃO SÍMBOLO UNIDADE Área de transferência de calor ou área de passagem de um fluido

A m2

Coeficiente global de troca térmica U W/(m2.ºC) Medidor da vazão dos gases da combustão V01 Sem dimensão Medidor da vazão da água V02 Sem dimensão Resistência de contato, lado fluido quente Rc1 (m2.ºC)/W Resistência de contato, lado fluido frio Rc2 (m2.ºC)/W Termopar número 01, instalado na tubulação de entrada dos gases da combustão no recuperador de calor. TE1 Sem dimensão

Termopar número 02, instalado na tubulação de saída dos gases da combustão no recuperador de calor. TE2 Sem dimensão

Termopar número 03, instalado na tubulação de entrada da água no recuperador de calor. TE3 Sem dimensão

Termopar número 04, instalado na tubulação de saída da água no recuperador de calor. TE4 Sem dimensão

Temperatura do fluido quente, em posição afastada da superfície

T∞,1 ºC

Temperatura da superfície, lado do fluido quente Tsup,1 ºC Temperatura do fluido frio, em posição afastada da superfície

T∞,2 ºC

Temperatura da superfície, lado do fluido frio Tsup,2 ºC Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido quente

h1 W/(m2.ºC)

Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido frio

h2 W/(m2.ºC)

Capacidade calorífica do fluido quente C1 W/ ºC Capacidade calorífica do fluido frio C2 W/ ºC Temperatura dos gases da combustão na entrada do recuperador de calor. T1 ºC

Temperatura dos gases da combustão na saída do recuperador de calor. T2 ºC

Temperatura da água na entrada do recuperador de calor. T3 ºC Temperatura da água na saída do recuperador de calor. T4 ºC Vazão da água Q2 kg/s Vazão dos gases de combustão Q1 kg/s Temperatura média dos gases de combustão TM1 ºC Temperatura média da água TM2 ºC Calor específico dos gases de combustão, para a condição de temperatura TM1

C1 kJ/kg.K

Calor específico água, para a condição de temperatura TM2

C2 kJ/kg.K

Massa específica dos gases de combustão, para a condição de temperatura TM1

M1 kg/m3

Continua

SIGLAS E SÍMBOLOS, continuação DESCRIÇÃO SÍMBOLO UNIDADE Massa específica da água, para a condição de temperatura TM2

M2 kg/m3

Instante de medição T0 s Razão entre o fluxo de calor absorvido pela água e o fluxo de calor cedido pelos gases de combustão

RQ Sem dimensão

FIGURAS

FIGURAS CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Página Figura 2.1 – Distribuição da aplicação de microturbinas nos Estados Unidos, em 2003. 20

Figura 2.2 - Calor recuperado pela água, vazão da água 4.3 m3/h 21 CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS Página Figura 4.1 – Vantagens da aplicação da cogeração. 24 Figura 4.2 – Cogeração com turbina a gás 25 Figura 4.3 - Cogeração com turbina a vapor 25 Figura 4.4 - Cogeração com motor alternativo 26 Figura 4.5 - Classificação dos trocadores de calor 26 Figura 4.6 - Classificação dos trocadores de calor quanto ao processo de transferência de calor 27

Figura 4.7 - Destilador que utiliza o princípio do contato direto. 27 Figura 4.8 - Transferência através de superfície separando os fluidos 28 Figura 4.9 - Trocador por transferência de calor através de elementos de armazenamento 29

Figura 4.10 - Classificação dos trocadores de calor quanto à direção e sentido dos fluidos. 29

Figura 4.11 - Trocador de calor de correntes paralelas 29 Figura 4.12 - Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um trocador de calor de correntes paralelas 30

Figura 4.13 - Trocador de calor de correntes opostas 30 Figura 4.14 - Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um trocador de calor de correntes opostas. 30

Figura 4.15 -Trocador de calor de fluxos cruzados. 31 Figura 4.16 – Classificação dos trocadores de calor quanto à forma construtiva 31 Figura 4.17 – Feixe tubular 32 Figura 4.18 – Desenho, em corte, de um trocador de calor de casco e tubos. 32 Figura 4.19 – Trocador de calor de duplo tubo. 33 Figura 4.20 – Trocador de calor com feixe em serpentina. 33 Figura 4.21 – Fluxos em um trocador de calor de placas 34 Figura 4.22 – Trocador de calor de placas 34 Figura 4.23 – Representação esquemática da transferência de calor. 36 Figura 4.24 – Circuito térmico equivalente 36 Figura 4.25 – Esquema básico de ligação de termopares 39 Figura 4.26. – Tubo Pitot. 40 Figura 4.27. – Medidor de vazão de água 41 CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS PáginaFigura 5.1 – Esquema básico do sistema COGENCASA 42 Figura 5.2 – Microturbina 45 Figura 5.3 – Microturbina em perspectiva e em corte. 45 Figura 5.4 – Vista do conjunto rotativo da microturbina, composto de eixo, rotor do compressor e rotor da turbina. 46

Continua

FIGURAS, continuação CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS PáginaFigura 5.5 – Recuperador de calor 47 Figura 5.6 – Sistema de controle da vazão do gás de combustão 47 Figura 5.7- Chiller de absorção, na condição de refrigeração. 49 Figura 5.8 - Chiller de absorção, na condição de regeneração. 49 Figura 5.9 – COP do chiller, em função da temperatura de saída da água gelada, 50 CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR

Página

Figura 6.1 - Sistema de geração de energia elétrica e recuperação de calor, com os instrumentos instalados. 51

Figura 6.2 – Termopar TE1. 52 Figura 6.3 – Termopar TE2. 53 Figura 6.4 – Termopar TE3. 53 Figura 6.5 – Termopar TE4. 53 Figura 6.6 – Detalhe da ligação dos termopares ao coletor de dados. 54 Figura 6.7 – Relação entre a potência fornecida pela microturbina e a

temperatura de saída dos gases de exaustão 58

Figura 6.8 – Detalhe dos pontos de aferição do medidor de vazão dos gases de combustão. 59

Figura 6.9 – Perfil da velocidade dos gases de combustão no interior do duto de exaustão. 59

CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS Página Figura 7.1 – Temperaturas T1, T2, T3, T4, T5 e T6 durante o teste 61 Figura 7.2 –Detalhe das temperaturas T1 e T2 durante o teste 61 Figura 7.3 – Detalhe das temperaturas T3 e T4 durante o teste 62 Figura 7.4 - Fluxograma para cálculo do fluxo de calor dos gases de combustão e do fluxo da água. 63

Figura 7.5 – Fator de Colburn (fator jc). Fonte Kays e London. 64

CAPÍTULO 8 – ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Página Figura 8.1 – Relação entre o calor específico do ar e do gás de combustão. 66 Figura 8.2 – Relação entre o volume específico do ar e do gás de combustão. 66 Figura 8.3 – Características de funcionamento da microturbina. 67 Figura 8.4 – Relação entre a potência fornecida pela microturbina e a temperatura ambiente. 67

Figura 8.5 – Calor cedido pelos gases de combustão, calor recebido pela água e potência elétrica gerada. 68

TABELAS E QUADROS

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Página Tabela 1.1 - Aplicações de microturbinas no Brasil. 18

CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS Página Tabela 4.1 - Termopares mais comuns e suas características principais 39

CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS PáginaQuadro 5.1 – Equipamentos instalados no COGENCASA 42 Tabela 5.2 - Características típicas do gás natural, originado de Guamaré (RN) 44 Quadro 5.2 - Condições operacionais do chiller de absorção 50

CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR

Página

Quadro 6.1 - Relação dos termopares e respectivos locais de instalação 52 Tabela 6.1 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 4°C 54 Tabela 6.2 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 27°C 55 Tabela 6.3 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 75°C 55 Tabela 6.4 – Resultado da aferição dos termopares 56 Tabela 6.5 – Resultado da aferição dos termopares, com a curva de interpolação 56 Tabela 6.6 – Valores obtidos e calculados na medição da vazão dos gases de combustão na temperatura dos gases de 80ºC 59

EQUAÇÕES

CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS PáginaEquação 4.1 - q = U.A.(Tb1 – Tb2) 36 Equação 4.1a q/At = U(T∞,1 – T∞,2) 37 Equação 4.2 1/U1 = 1/η1h1 + a/(Ap/A1)k1 + 1/(A2/A1) η2k2 37 Equação 4.3 1/U2 = 1/η2h2 + a/(Ap/A2)k1 + 1/(A1/A2) η1k1 38 Equação 4.4 U1 A1= U2 A2 38 Equação 4.5 η1 = 1 – (A2/A) (1- η2) 38 Equação 4.6 P/γ + v2/(2.g) + z = constante 40 Equação 4.7 P1/γ + v1

2/(2.g) + z1 = P2/γ + v22/(2.g) + z2 40

Equação 4.8 P1/γ = P2/γ + v22/(2.g) 40

Equação 4.9 v= [2 . (Po – P)/ρ]1/2 41 Equação 4.9 V= Ar . v2 41 Equação 4.10 V = (π . d2/4) . v2 41 CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR

Página

Equação 6.1 TC = 1,013 x TM + 1,431 56 Equação 6.2 TC = 1,010 x TM + 1,155 56 Equação 6.3 TC = 1,023 x TM + 0,949 56 Equação 6.4 TC= 1,002 x TM+ 1,869 56

SUMÁRIO

RESUMO.........................................................................................................................viABSTRACT...................................................................................................................viiSIGLAS E SÍMBOLOS...............................................................................................viiiFIGURAS.........................................................................................................................xTABELAS E QUADROS..............................................................................................xiiEQUAÇÕES.................................................................................................................xiii SUMÁRIO.....................................................................................................................xiv

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO.................................................................................16

1.1 MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO 1.2 O SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E RECUPERAÇÃO DE CALOR CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.........................................................20 CAPÍTULO 3 – OBJETIVOS......................................................................................23 3.1 OBJETIVO GERAL 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS CAPÍTULO 4 – CONCEITOS BÁSICOS...................................................................24 4.1 COGERAÇÃO 4.2 TROCADORES DE CALOR 4.3 RECUPERADORES DE CALOR 4.4 TERMOPARES 4.5 TUBO PITOT 4.6 MEDIDOR VOLUMÉTRICO

CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS...........42 5.1 INSTALAÇÃO DO COGENCASA 5.2 MICROTURBINA 5.3 RECUPERADOR DE CALOR 5.4 CHILLER DE ABSORÇÃO

CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR....................................................................................51 6.1 EQUIPAMENTOS 6.2 SENSORES DE MEDIÇÃO

CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS...............................................................61 7.1 CONDIÇÃO DE REALIZAÇÃO DO TESTE 7.2 PROCEDIMENTO DE CÁLCULO DOS FLUXOS DE CALOR, PARTE EXPERIMENTAL 7.3 PROCEDIMENTO DE CÁLCULO DOS FLUXOS DE CALOR, MODELAGEM MATEMÁTICA CAPÍTULO 8 – ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS..........................65 8.1 CONSIDERAÇÕES QUANTO ÀS CARACTERÍSTICAS DOS GASES DE COMBUSTÃO 8.2 PROGRAMA PARA O CÁLCULO DO CALOR LIBERADO PELOS GASES DE COMBUSTÃO, CALOR RECEBIDO PELA ÁGUA E POTÊNCIA GERADA PELA MICROTURBINA 8.3 LIMITAÇÕES DOS RESULTADOS OBTIDOS

CAPÍTULO 9 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS......................................................................................................................69 9.1 CONCLUSÕES 9.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................71 ANEXO

1- INTRODUÇÃO

A utilização da energia, tanto elétrica como térmica, está sendo, cada vez mais, feita de forma racional. Este fato deve-se, principalmente, devido às motivações econômicas e ambientais.

No campo econômico, em um mundo cada vez mais globalizado, a aplicação

eficiente da energia é condição importante, quando não crucial. Por outro lado, o meio ambiente apresenta-se, em alguns locais, em processo de considerável degradação, merecendo, por parte de todos, medidas que mitiguem ou evitem as conseqüências da ação do homem. Neste aspecto, o reaproveitamento da energia possibilita um melhor relacionamento do homem com o ambiente, pois mitiga o impacto ambiental.

Dentre as inúmeras formas de obtenção de energia elétrica, o acionamento de

geradores elétricos através de motores térmicos está em fase de crescimento no Brasil, em função da escassez do potencial hídrico.

No ano de 2001 o Brasil enfrentou uma grave crise no fornecimento de energia

elétrica, tendo como resultados: racionamento de energia, feriados programados e riscos de apagões. Esta crise foi devida ao regime de chuvas, que foi extremamente baixo, aliado à falta de política adequada para o setor energético, pois, no modelo adotado, os investimentos na geração e distribuição de energia foram reduzidos pelo governo brasileiro e os investidores privados não fizeram o aporte financeiro capaz de prover o país da energia elétrica necessária.

Para evitar ou minimizar, no futuro, novos eventos semelhantes de

racionamento de energia elétrica, o governo brasileiro buscou implementar uma matriz energética que não fosse apenas baseada no regime hídrico.

A utilização de biomassa e gás natural, como fontes de energia elétrica, foi

incentivada, através de programas de centrais termelétricas, com características basicamente de cogeração, ou seja, com a busca da máxima condição de rendimento térmico, situação esta que procura aproveitar, eficientemente, toda a energia disponível decorrente da combustão do gás natural ou biomassa.

O modelo citado, entretanto, tem como aspecto principal, ser formado por

centrais termoelétricas de grande porte, da ordem de 50 a 1.000 MW. Para escalas domésticas, cujo consumo de energia elétrica está na faixa de 30 a

300 kW, não havia modelo disponível e, para atender a esta realidade, foi implementado o projeto COGENCASA, convênio entre a Finep (Financiadora de Estudos e Projetos), PETROBRAS (Petróleo Brasileiro S.A.), COPERGÁS (Companhia Pernambucana de Gás S.A.) e a UFPE (Universidade Federal de Pernambuco).

O projeto COGENCASA objetiva avaliar a viabilidade técnica e econômica do

uso da micro-cogeração a partir do gás natural. Não processo de cogeração há a geração de energia elétrica, através do uso de um moto-gerador e de uma microturbina, e a energia ainda existente nos gases de combustão é recuperada através do uso de um recuperador de calor. A energia é recuperada pela água que passa pelo interior dos tubos da serpentina do recuperador de calor. Essa energia poderá ser utilizada para gerar frio,

através da utilização de um chiller de absorção, ou pode armazenada sob a forma de água quente, para substituir o chuveiro elétrico.

Nos Estados Unidos, Canadá e países do norte da Europa, a instalação de o

microturbinas é um mercado em crescente expansão, tendo um crescimento médio de 500%, entre 1999 e 2001 (fonte:CAPSTONE, 2002). O mercado de reaproveitamento do calor contido nos gases de combustão da microturbina também apresenta comportamento similar, apresentando-se, então, como fator de elevado potencial tecnológico e econômico, aliado aos aspectos ambientais, visto que este reaproveitamento possibilitará a redução do consumo de energia.

Destaca-se, ainda, o enorme potencial do reaproveitamento energético, na

forma de calor, que pode ser obtido a partir das instalações atuais, onde os gases de escapamento, de motores a combustão interna acionando geradores de energia elétrica, de fornos, caldeiras ou quaisquer outros equipamentos, estão sendo descarregados no ambiente com grande quantidade de energia térmica, na forma de calor sensível.

1.1 MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO

A recuperação de calor é uma ação razoavelmente comum nas indústrias,

notadamente junto aos sistemas de geração de vapor. Benefícios tangíveis, tais como, aquecimento da água ou, até mesmo, a

geração de frio através de um sistema de refrigeração por absorção são exemplo da possibilidade da aplicação direta e econômica da recuperação do calor.

Na escala doméstica, cuja potência seja de, aproximadamente, 30 kW, não há

uma cultura nem tecnologia nacional desenvolvida, devendo-se recorrer, invariavelmente, à importação de equipamentos e instalações.

O desenvolvimento, abrangendo o projeto, fabricação e testes em um

recuperador de calor possibilitará a disponibilização, no futuro, deste tipo de equipamento no mercado nacional, com capacidade compatível com as aplicações residenciais.

No Brasil, a utilização de sistemas de cogeração baseados em microturbinas e

recuperadores de calor ainda está em processo de pesquisa no Brasil, sendo encontradas, apenas, conforme a tabela 1.1, duas aplicações comerciais.

No âmbito internacional há, também, uma busca na pesquisa e no

aprimoramento da cogeração através de sistemas compostos por microturbina e recuperador de calor, com fins de aquecimento (climatização), geração de água quente ou refrigeração.

Destaca-se, por fim, o potencial da utilização de sistemas de cogeração,

baseados em microturbinas e recuperadores de calor, em: a) Empreendimentos não interligados à rede de distribuição de energia elétrica; b) Plantas de aterros sanitários, consumindo o gás combustível originado da

decomposição do material depositado;

c) Instalações que disponham de biodigestores.

Tabela 1.1 - Aplicações de microturbinas no Brasil. Local Instituição Aplicação Potência

instalada(kw)

Quantidade Combustível

São Paulo,SP SABESP/CENBIO - CENTRO NACIONAL DE REFERÊNCIA EM BIOMASSA

Geração de energia elétrica tendo como combustível

30 01

Biogás, originado da

planta de esgoto.

Mauá, SP ULTRAGAS - Planta Mauá

Geração de energia elétrica.

30 01 Propano

Geração de energia elétrica.

30 02 Gás natural Itajubá, MG UNIFEI

Geração de energia elétrica.

29 01 Óleo diesel

Rio de Janeiro, RJ

POSTO BRACARENSE - PETROBRAS BR

Geração de energia elétrica tendo como combustível o gás natural

30 03 Gás natural

30 01 Gás natural Rio de Janeiro, R

CENPES-PETROBRAS

Geração de energia elétrica e de água quente. 60 01 Gás natural

Niterói, RJ Universidade Federal Fluminense

Geração de energia elétrica.

30 02 Óleo diesel

Recife, PE Universidade Federal de Pernambuco

Geração de energia elétrica e de água quente.

30 01 Gás natural

Florianópolis, SC

Universidade Federal de Santa Catarina

Geração de energia elétrica e aproveitamento do calor dos gases de combustão.

30 01 Gás natural

Fonte: http://www.generaciondistribuida.com/GenDis/Aplic/Instalaciones/0,2378,ai_IdnLanguage_203,00.html, acessado em 18.09.2005, às 12:01h.

1.2 O SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E RECUPERAÇÃO DE CALOR

Instalado no laboratório do COGENCASA, o sistema de geração de energia

elétrica tem uma capacidade de 30 kW, fornecendo energia elétrica a 220 V, monofásico. O aproveitamento do calor sensível existente nos gases de descarga de uma microturbina é utilizado para fornecer calor necessário ao funcionamento de um chiller de absorção. O chiller de absorção, por fim, resfria duas câmaras frigoríficas.

Uma microturbina, na verdade um conjunto compressor, câmara de

combustão, turbina e gerador elétrico, de fabricação CAPSTONE TURBINE CORPORATION, modelo 330, é alimentada com gás natural. Este equipamento, de origem norte-americana, opera a cerca de 96.000 rpm e aciona um gerador elétrico. Uma central eletrônica, instalada na microturbina, controla o equipamento.

Os gases da combustão, resultantes do funcionamento da microturbina são

direcionados para um recuperador de calor. Atualmente apenas uma empresa no mundo fabrica recuperadores de calor e o desenvolvimento de tecnologia neste tipo de equipamento será um dos resultados esperados neste trabalho.

A parte do calor sensível dos gases, captado no recuperador de calor, é

utilizada para aquecer água, que será aplicada em um chiller de absorção. Desta forma, este sistema será capaz de produzir “frio” utilizando o calor sensível contido nos gases de combustão, resultantes da combustão na microturbina.

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA MCDONELL (2001 e 2003) relata que, em um projeto desenvolvido pelo

estado da Califórnia, Estados Unidos, com o objetivo de buscar novas opções de geração de energia elétrica foram instalados, inicialmente, 35 sistemas de cogeração, compostos de microturbinas e recuperadores de calor. A University of Califórnia, Irvine, realiza o acompanhamento do desempenho dos sistemas verificando características tais como emissões atmosféricas, emissões térmicas, potência elétrica gerada, eficiência, etc. Durante o período de 2001 até 2005 foram instalados 207 sistemas de cogeração, fornecendo uma potência elétrica de 7,6 MW, abastecendo 7.600 residências.

Conforme HEDMAN (2002), o mercado da aplicação de microturbinas está em ampla expansão e tem como potenciais aplicações: a geração de energia elétrica e calor, fornecimento apenas de energia elétrica, fornecimento de energia em horários de pico ou em locais remotos, não atendidos pela rede de distribuição de energia elétrica.

Nos Estados Unidos havia, em 2003, uma potência instalada de 190 MW e a

distribuição das aplicações das microturbinas está indicada na figura 4.1.

Figura 2.1 – Distribuição da aplicação de microturbinas nos Estados Unidos, em 2003. TAKAYAMA (2002) relata o estudo de dois casos onde há a instalação de

sistemas de cogeração, instalados no Japão. O primeiro caso apresentado refere-se a uma microturbina que utiliza gases combustíveis residuais. Há a geração de energia elétrica e o calor recuperado é aplicado em um sistema de refrigeração pro absorção. No segundo caso citado, há a utilização de combustível originado da biomassa, decorrente de uma estação de tratamento de efluentes.

RADERMACHER (2002) realizou experimentos em sistema de cogeração

utilizando microturbinas de 100 kW. No teste realizado com microturbinas e recuperadores de calor foi encontrada a seguinte composição molar dos gases de combustão, a temperatura de saída de 260 ºC: N2 = 76,3%; O2 = 17,7%; H2O = 3,6% e CO2 = 1,4%. Conclui-se que o gás de combustão apresenta uma composição próxima ao

ar atmosférico. Isto deve-se ao fato de que na microturbina o ar admitido tem um excesso de ar de cerca de 300%.

ZALTASH e RIZY (2002) realizaram experimentos em um sistema de

microturbinas de 30 kW. Foi verificado o desempenho da microturbina sem e com o recuperador de calor. No experimento com o recuperador de calor a água foi aquecida até 88 ºC e a mesma foi utilizada para fornecer calor para um chiller de absorção de 10 TR (35 kW). Constatou-se que o rendimento da microturbina é de cerca de 23%, para a condição de plena carga (30 kW) e é reduzido para 18% quando a carga é reduzida para 10 kW. Abaixo de 10 kW o rendimento é bruscamente reduzido, não sendo viável a sua utilização nestas condições. As emissões atmosféricas, conforme figura 3.**, foram medidas e encontrados os valores de: ~3 ppm NOX (medido para 18,5% O2); ~8 ppm NOX (corrigido para 15% O2). O calor recebido pela água, para a condição de 4,3 m3/h, foi medido para as potências de 10kW, 15kW, 20kW e 24kW. Os valores obtidos estão indicados na figura 4.2

Figura 2.2 - Calor recuperado pela água, vazão da água 4.3 m3/h

DONNEL et al (2002) desenvolveram procedimentos para teste e qualificação de microturbinas. Os testes estão sendo especificados para serem realizados com uma

50000

70000

90000

110000

130000

150000

170000

5 10 15 20 25 30 Power Output (kW)

Hea

t Rec

over

ed (B

tu/h

)

15

20

25

30

35

40

45

50

Hea

t Rec

over

ed (k

W)

duração curta e abrangerá aspectos de desempenho elétrico, desempenho térmico, emissões atmosféricas, níveis emissões acústicas (ruído), operação e manutenção.

STEWART (2003) apresenta a modificação no recuperador de calor que passou a ser instalado na parte superior das microturbinas de 60 kW. Esta nova concepção apresenta a vantagem de não ocupar espaço, visto estar o recuperador sobre a microturbina e, também, facilita o fluxo dos gases de combustão, que passam a escoar em decorrência do efeito da sua baixa densidade.

HOLDE (2003) verificou que, nos Estados Unidos e Europa, a aplicação de

microturbinas está associada, além da geração de energia elétrica, à utilização dos gases de combustão diretamente em estufas, visto que nas microturbinas estes gases apresentam um elevado teor de oxigênio além de baixo teor de contaminantes. A utilização de biogás, originado de aterros e estações de tratamento de esgotos também é bastante vantajosa, haja visto que o combustível, originado dos processos nos aterros ou estações de tratamento de efluentes, apresenta baixo custo.

Um programa de desenvolvimento de sistema de refrigeração utilizando a cogeração com microturbinas de recuperadores de calor está sendo implementado no Canadá, conforme BRANDON (2003). Busca-se, neste projeto, uma padronização do sistema de cogeração de forma que a associação do mesmo com um sistema de refrigeração possa ser facilmente realizada, acarretando menor custo e maior eficiência global.

JAMES (2003) descreve um programa desenvolvido pelo Departamento de

Agricultura dos Estados Unidos que projeta e opera microturbinas que utilizam o metano biológico originado da decomposição dos resíduos dos animais. Em um digestor anaeróbico o resíduo animal é processado e produz o biogás, que contém metano. Melhorias foram efetuadas no dispositivo de tratamento do biogás objetivando um aumento do rendimento e redução das emissões atmosféricas.

SHINMURA (2003) apresenta as pesquisas realizadas para aumentar o

desempenho das microturbinas, que passaram a atingir um desempenho de 26,7% e com níveis de emissão menores que 2,5ppm. Nas microturbinas foram projetados e instalados recuperadores de calor, incorporados na forma anular, e a combustão passou a ser realizada em dois estágios.

CAPÍTULO 3 - OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GERAL

Determinar, através de uma análise experimental, o desempenho de um recuperador do calor sensível contido nos gases do escape de uma microturbina que utiliza gás natural como combustível, na condição de potência elétrica fornecida pela microturbina, possibilitando o desenvolvimento de tecnologia no projeto, fabricação e operação de recuperadores de calor.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3.2.1 Projetar, instalar e operar uma bancada de teste para o recuperador de calor; 3.2.2 Coletar os dados referentes ao funcionamento do recuperador de calor; 3.2.3 Desenvolver um programa que calcule o calor fornecido pelos gases de combustão

e o calor recebido pela água; 3.2.4 Comparar os resultados do teste de funcionamento do recuperador de calor, itens

3.2.1 e 3.2.2, com os resultados apresentados pelo programa, item 3.2.3.

CAPÍTULO 4 – CONCEITO BÁSICOS 4.1 COGERAÇÃO

A geração conjunta de energia elétrica e calor a partir de um combustível é denominada de Cogeração, estando este princípio em larga escala de aplicação, visto que apresenta elevado rendimento quando comparado com os sistemas baseados em geração independentes da energia elétrica e do calor.

Figura 4.1 – Vantagens da aplicação da cogeração. ( Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17)

Em um sistema onde ocorre a geração independente de energia elétrica o

rendimento médio encontrado é de 55%, enquanto em um sistema de cogeração o rendimento médio pode chegar a 71%, conforme indicado na figura 4.1.

Conforme LORA (2004) a cogeração pode ser classificada em:

a) Cogeração com turbina a gás

O sistema é composto do compressor, câmara de combustão, turbina a gás, gerador elétrico e do recuperador de calor. O ar é aspirado da atmosfera e comprimido, sendo direcionado à câmara de combustão, onde é misturado com o combustível. Na câmara ocorre a combustão e o gás quente flui passando na turbina e movimentando-a. O movimento da turbina efetua a rotação do compressor e do gerador de energia elétrica, produzindo-se, assim, a energia elétrica. O gás quente, após passar pela turbina,

é direcionado ao recuperador de calor, onde o calor existente no gás é transferido ao meio desejado (água a ser aquecida, geração de vapor, etc.).

Figura 4.2 – Cogeração com turbina a gás

( Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17)

A utilização de microturbinas e recuperadores de calor obedece ao conceito de sistemas de cogeração com turbinas a gás.

b) Cogeração com turbina a vapor.

Em uma caldeira convencional ocorre a combustão e a conseqüente

vaporização da água. O vapor gerado, então, é direcionado para a turbina a vapor onde ele é submetido a uma expansão e efetua a movimentação do eixo da turbina. Desta forma, a turbina a vapor movimenta o gerador, produzindo-se energia elétrica. O vapor, ao sair da turbina, será utilizado em um processo industrial, fornecendo calor.

Figura 4.3 - Cogeração com turbina a vapor

(Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17)

c) Cogeração com motor alternativo.

Motor de combustão interna, geralmente do ciclo Diesel, utiliza combustível e movimentam o gerador de energia elétrica. Os gases de combustão são direcionados a um recuperador de calor que efetuará a transferência de calor para a água que será utilizada no processo industrial.

Figura 4.4 - Cogeração com motor alternativo

( Fonte: adaptado de: http://energytech.at/(en)/content.html, acessado em 18.09.2005, às 14:17)

4.2 TROCADORES DE CALOR

Os trocadores de calor são equipamentos são equipamentos de ampla utilização, sendo encontrados, praticamente, em todos os tipos de processo e indústrias. Têm como função básica proceder a transferência de calor entre dois fluidos.

Salienta-se que a denominação “trocador de calor”, mesmo sendo de ampla

utilização na literatura e, principalmente, na área industrial, não é a mais adequada para descrever este equipamento, pois, não há “troca de calor” e, sim, a transferência de energia térmica, de um fluido para outro. O termo “transferidor de calor” seria mais adequado, porém, neste texto, para manter a linguagem corrente, utilizaremos, também, a terminologia “trocador de calor”. 4.2.1 Classificação dos trocadores de calor

Há várias categorias em que os trocadores de calor podem ser classificados, entretanto são descritas as características daqueles apresentados na seguinte classificação:

Figura 4.5 - Classificação dos trocadores de calor .

CLASSIFICAÇÃO

DOS TROCADORES

Quanto ao processo

de transferência de calor

Quanto à direção e sentido dos

fluidos

Quanto à forma construtiva

4.2.1.1 Quanto ao processo de transferência de calor

Figura 4.6 - Classificação dos trocadores de calor quanto ao processo de transferência de calor.

a) Trocadores de calor com fluidos em contato direto

Nestas aplicações os fluidos têm contato direto entre si, passando a se misturar, ou seja, ao entrarem no trocador de calor os fluidos se misturam, ocorre a transferência de energia térmica entre os mesmos e eles saem do equipamento em um só fluxo. Verifica-se, então, que há, além da transferência de calor uma transferência de massa, associada a uma ação de condensação. Este tipo de processo possibilita elevadas taxas de transferência de calor.

As torres de destilação são exemplos desta aplicação, que possui baixo custo

de fabricação e construção.

Figura 4.7 - Destilador que utiliza o princípio do contato direto.

QUANTO AO PROCESSO DE

TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Contato direto Contato indireto

Transferência através de

superfície separando os fluidos

Transferência através

de elementos de armazenamento

de calor

b) Trocadores de calor com fluidos em contato indireto

A principal característica deste processo é que os fluidos permanecem separados um do outro à medida que o calor é transferido continuamente entre eles. É, de longe, o processo mais comum de aplicação. b.1) Transferência através de superfície separando os fluidos

Um dos fluidos percorre, continuamente, uma câmara específica, separada da câmara percorrida, também continuamente, pelo outro fluido. Através de uma superfície física e quimicamente adequada ocorre a transferência permanente de energia térmica do fluido de maior temperatura para o fluido de menor temperatura.

Figura 4.8 - Transferência através de superfície separando os fluidos

Os tipos mais comuns destes trocadores de calor são: de placas, tubular e de

superfície estendida. b.2) Transferência através de elementos de armazenamento

Neste processo os fluidos percorrem, alternadamente, as mesmas passagens. Nestas passagens há elementos que absorvem o calor, quando da passagem do fluido quente, e transferem este calor, quando da passagem do fluido frio. Estes elementos, usualmente denominados de matriz, devem ser compatíveis com os fluidos e possuem elevada área de contato com os fluidos.

Uma das principais aplicações deste processo é na recuperação do calor

decorrente da combustão em alto-fornos. Nesta aplicação, os gases resultantes da combustão passam através das câmaras de recuperação de calor. O ar de combustão passará, posteriormente, nesta câmara, sendo aquecido.

Figura 4.9 - Trocador por transferência de calor através de elementos de armazenamento

4.2.1.2 Quanto à direção e sentido dos fluidos

Figura 4.10 - Classificação dos trocadores de calor quanto à direção e sentido dos fluidos. a) Trocadores de correntes em paralelo

Nestes equipamentos os fluidos percorrem trajetórias que têm a mesma direção

e o mesmo sentido. A figura 4.11 ilustra a configuração deste equipamento.

Figura 4.11. Trocador de calor de correntes paralelas

Pode-se verificar, através da figura 4.12, a distribuição da temperatura ao longo do comprimento do trocador de calor de correntes paralelas.

QUANTO À DIREÇÃO E

SENTIDO DOS FLUIDOS

Correntes em paralelo

Correntes opostas

Correntes cruzadas

Figura 4.12. Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um

trocador de calor de correntes paralelas.

As vantagens desta aplicação são: a simplicidade construtiva e a não ocorrência de uma área de elevada temperatura. Como desvantagem há a impossibilidade de que o fluido a ter a temperatura elevada não possa atingir uma temperatura maior que a temperatura de saída do fluido que está cedendo calor. b) Trocadores de correntes opostas

Mesmo percorrendo a mesma direção, neste caso, os fluidos têm sentidos opostos, conforme indica a figura 4.13.

Figura 4.13. Trocador de calor de correntes opostas

A distribuição da temperatura ao longo do comprimento do trocador de calor decorrente opostas está indicada na figura 3.14.

Figura 4.14. Distribuição da temperatura ao longo do comprimento em um trocador de calor de correntes opostas.

Tem

pera

tura

Fluido que recebe energia térmica

Fluido que cede energia térmica

Tem

pera

tura

Fluido que recebe energia térmica

Fluido que cede energia térmica

Comprimento do trocador de calor

Comprimento do trocador de calor

Para esta configuração há um maior rendimento na transferência de calor, o que possibilita uma menor área de troca térmica, quando comparado com o trocador de correntes em paralelo.

Outro aspecto positivo é que é possível a obtenção, no fluido que está tendo a

temperatura elevada tenha uma temperatura maior que a do fluido que está tendo a temperatura diminuída. Entretanto, há uma região do trocador que está exposta a elevada temperatura, característica esta que facilita os eventuais processos de corrosão e/ou reduzem a pressão máxima de trabalho, pois baixam a resistência mecânica do material utilizado na fabricação do equipamento. c) Trocadores de correntes cruzadas

As trajetórias dos fluxos, neste equipamento, possuem direções, geralmente, perpendiculares, como indicadas na figura 4.15.

4.15-Trocador de calor de fluxos cruzados.

Estes equipamentos são aplicados quando um dos fluidos possui elevada vazão

e/ou pequeno coeficiente de transferência de calor, em relação ao outro fluido. 4.2.1.3 Quanto à forma construtiva

Figura 4.16. – Classificação dos trocadores de calor quanto à forma construtiva.

QUANTO À FORMA

CONSTRUTIVA

Tubular Placa

Casco e tubo Tubo duplo Serpentina

a) Trocador de calor tubular

Caracterizam-se por apresentar, pelo menos, um dos fluidos percorrendo a sua trajetória através de um conjunto de tubos.

a.1) Trocador de calor de casco e tubo

Um dos fluidos passa através de um conjunto de tubos, denominado feixe tubular e o outro fluido, passa por fora deste feixe tubular, mas por dentro de um corpo cilíndrico, que o envolve.

Figura 3.17. – Feixe tubular.

Figura 4.18. – Desenho, em corte, de um trocador de calor de casco e tubos.

Os trocadores de calor casco e tubos são os mais utilizados nos processos industriais, pois são facilmente adaptáveis às mais variadas condições operacionais (elevadas pressões e/ou elevadas vazões) às características dos fluidos (corrosão, viscosidade, etc.); são os mais versáteis, podendo ser fabricados em larga variedade de materiais, desde o aço carbono até ligas metálicas nobres.

a.2 Trocador de calor de tubo duplo

Construídos a partir de dois tubos concêntricos, estes trocadores de calor é de funcionamento bastante simples. Um dos fluidos escoa através do tubo interno e o outro fluido percorre através do espaço anular entre o tubo interno e o tubo externo. São aplicados em condições de pequenas vazões. São de fácil operação e manutenção.

Figura 4.19. – Trocador de calor de duplo tubo.

a.3 Trocador de calor de feixe em serpentina

Um feixe tubular, na forma de espiral, é instalado no interior de um corpo cilíndrico. O fluido que percorre o interior do feixe tubular efetua a transferência de calor para o fluido que está contido no corpo cilíndrico. Apresenta, esta forma construtiva, elevada área de troca térmica, em relação às outras concepções de construção.

Figura 4.20. – Trocador de calor com feixe em serpentina..

b.2 Trocador de calor de pl

Placas planas são colocadas paralelamente umas às outras. Conforme indicado na figura 4.21, um dos fluidos passa por um conjunto de espaços entre as placas e o outro fluido passa pelos demais espaços.

Figura 4.21. – Fluxos em um trocador de calor de placas.

Figura 4.22. – Trocador de calor de placas

Fluido Placas ....

Fluido

4.2.1.4 Recuperadores de calor A utilização do calor contido nos gases de combustão é de grande importância

para o aumento do desempenho dos sistemas de combustão, diminuição do consumo de combustíveis e redução das emissões atmosféricas.

Segundo REED (1986) podemos classificar a utilização do calor dos gases de

combustão em: a) Recuperadores: são trocadores de calor, geralmente gás-gás ou gás-líquido,

que possibilitam a transferência de calor dos gases de combustão para o fluido que se deseja aquecer. Podem apresentar diversas configurações construtivas: corrente paralela, contra-corrente ou corrente cruzadas. O desempenho térmico destes equipamentos aumenta com o aumento do número de Reynolds, sendo, portanto, desejados elevadas vazões, velocidades e baixa viscosidade.

b) Regeneradores: são trocadores de calor baseados em elementos de

armazenamentos. Durante um ciclo, o gás quente passa em uma câmara cedendo calor para os elementos de armazenamento enquanto, em outra câmara, o fluido frio recebe calor dos elementos de armazenamento que foram aquecidos no ciclo anterior. Após certo período, os fluxos são invertidos, fazendo com que o gás quente passe para a câmara por onde passava o fluido frio e este último passará pela câmara por onde escoava o fluido quente.

4.2.1.5 Aspectos térmicos dos trocadores de calor

A determinação das características de transferência de calor em um trocador de calor é complexa, visto que os aspectos específicos das resistências térmicas presentes possuem propriedades de difícil determinação.

Para sistematizar e facilitar o projeto é determinado o coeficiente global de

troca térmica, simbolizado por U. 4.1.2.6 Coeficiente global de troca de calor

A troca de calor entre dois fluidos, tendo entre os mesmos uma superfície separando-se, pode ser representada pela figura 4.23.

Onde: T∞1............ Temperatura do fluido quente, em condição de corrente livre; Tsup1...........Temperatura da superfície, lado do fluido quente; h1...............Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido quente; T∞2........... Temperatura do fluido frio, em posição afastada da superfície; Tsup2...........Temperatura da superfície, lado do fluido frio; h2................ Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido frio;

Rk................Resistência térmica do material da superfície que separa os fluidos (inverso da condutividade térmica).

Figura 4.23. – Representação esquemática da transferência de calor.

Analogia elétrica da transferência de calor:

Figura 4.24. – Circuito térmico equivalente.

Nestas condições o calor transferido pode ser determinado pela expressão

(4.1), onde U é o coeficiente global de transferência de calor. A expressão (4.1) é semelhante à expressão da Lei de Ohm, que relaciona a

resistência elétrica com a corrente elétrica e a tensão elétrica. 4.2.1.7 Trocadores de calor compactos

Os trocadores de calor compactos têm grande aplicação em função da característica de conciliar elevadas áreas de troca térmica com pequeno volume ocupado, sendo utilizados em situações onde o espaço disponível para a instalação do trocador é reduzido ou limitado por questão de peso.

Rc1 Rk Rc2

T∞,1 Tsup,1 Tsup,2

q = U.At.(T∞,1 – T∞,2) (4.1)

T∞,2

h1 h2

T∞,2

Tsup,2

Tsup,1

Rc1 Rk Rc2

Parede que separa os fluidos

Fluido frio

Fluido quente

T∞,1

Pelo menos um dos fluidos, neste tipo de trocador de calor, é um gás. Para aumentar a eficiência da troca térmica, a superfície por onde circula o gás é estendida através da adição de aletas. Ao mesmo tempo em que possibilitam uma melhor transferência de calor as aletas passam a exigir uma maior potência para o deslocamento do fluido, visto que tendem a aumentar a perda de carga. 4.2.1.8 Projeto térmico de um trocador de calor compacto

Para um trocador de calor compacto, com dois fluidos, os principais parâmetros relativos à transferência térmica são: U................Coeficiente global de transferência de calor; At...............Área de troca térmica; T∞1............ Temperatura do fluido quente, em condição de corrente livre Tsup1...........Temperatura da superfície, lado do fluido quente; h1................Coeficiente de transferência de calor por condução, lado fluido quente; T∞2........... Temperatura do fluido frio, em posição afastada da superfície; Tsup2...........Temperatura da superfície, lado do fluido frio; C1...............Capacidade calorífica do fluido quente; C2...............Capacidade calorífica do fluido frio. Arranjo......Correntes paralelas, correntes opostas e fluxo cruzados.

Conforme a equação (4.1), temos: q = U.At.(T∞,1 – T∞,2) (4.1)

Reescrevendo: q/At = U(T∞,1 – T∞,2) (4.1.a)

A relação q/A retrata o fluxo de calor por unidade de área e é a base para o dimensionamento térmico dos trocadores de calor.

O coeficiente global de transferência de calor, U, retrata qual é o fluxo de calor

por unidade de área, q/A, decorrente da diferença de temperatura, (T∞,1 – T∞,2). O recíproco de U representa toda a resistência térmica existente, que é

decorrente dos seguintes fatores:

(i) Componente de convecção do lado do fluido quente, incluindo a ineficiência térmica das aletas, se existentes;

(ii) Inverso da condutividade térmica do material da parede; (iii) Componente de convecção do lado do fluido frio, incluindo a ineficiência

térmica das aletas, se existentes; (iv) Fatores operacionais existentes em ambos os lados, quente ou frio

(incrustações, corrosões, etc.).

Desconsiderando os fatores descritos no item (iv), a seguinte expressão descreve a resistência térmica global: 1/U1 = 1/η1h1 + a/(Ap/A1)k1 + 1/(A2/A1) η2k2 (4.2)

1/U2 = 1/η2h2 + a/(Ap/A2)k1 + 1/(A1/A2) η1k1 (4.3) Onde: Ap.......Área média da parede; A1.......Área total do lado do fluido quente; A2.......Área total do lado do fluido frio; η1........Efetividade térmica da superfície do lado do fluido quente; η2........Efetividade térmica da superfície do lado do fluido frio; U1.......Coeficiente global de transferência de calor, por unidade de área do lado do

fluido quente; U2.......Coeficiente global de transferência de calor, por unidade de área do lado do

fluido frio.

Pelo princípio da conservação de energia: U1 A1= U2 A2 (4.4)

Se não há aletas os valores η1 de η2 e são unitários. Desta forma, Ap=(A1+A2)/2. Na maioria das vezes, entretanto, objetivando o aumento da eficiência térmica, são utilizadas superfícies estendidas. A projeção, então, das aletas no fluido causa um gradiente térmico nas mesmas, o que provoca uma redução da eficiência da aleta, η1<1 . Desta forma: η1 = 1 – (A2/A) (1- η2) (4.5)

Segundo Kays (1984), nos trocadores de calor gás-água o componente da resistência térmica da parede pode ser desprezado, pois é muito menor que as resistências térmicas existentes nos lados dos fluidos.

4.3 TERMOPARES

A medição da temperatura é uma das ações nos processos industriais. Vários princípios físicos são utilizados nestas medições sendo os mais freqüentes: dilatação de líquidos, dilatação de gases, variação da resistência elétrica e geração de tensão elétrica.

Os termopares são instrumentos onde, a presença de dois metais diferentes

unidos em uma extremidade, de modo a formar uma junção, gera uma tensão elétrica que é função da temperatura e esta característica é denominada de “efeito termoelétrico”.

A extremidade onde os metais são unidos é denominada de “junta quente”,

pois é esta que será colocada no local onde é desejada a medição da temperatura. Convém salientar que a união dos metais deve ser feita utilizando-se, apenas, os dois tipos de metais, para evitar-se a medição incorreta da temperatura.

A extremidade oposta, onde os dois metais não estão unidos é denominada de

“junta fria”, pois é onde será instalado o instrumento que irá medir a tensão elétrica gerada (da ordem de mV).

Observa-se, então, que há uma diferença de temperatura entre a “junta quente” e a “junta fria”. Ocorre, então, uma geração da tensão elétrica que é função linear desta diferença de temperatura. Como a temperatura da “junta fria” é sabida, a temperatura da “junta quente” poderá ser determinada.

Há vários tipos de metais que podem ser utilizados em termopares, sendo os

mais comuns àqueles indicados na tabela 4.1

Tabela 4.1 - Termopares mais comuns e suas características principais Tipo de

termopar Liga Faixa recomendada de utilização (ºC)

J Ferro / Constantan -210 a 760 K Chromel / Alumel -270 a 1.200

S Platina

Pt/Rh (90/10) -50 a 1.768

W W/Rh (26/74) 2.500 T Cobre / Constantan -270 a +400 L Ferro / Cobre-níquel -200 a +900

Notas: Constantan (55% Cu, 45% Ni); Chromel: (90% Ni, 10% Cr); Alumel (96% Ni, 2% Mn, 2% Al).

Fonte: WERNECK (1996)

Figura 4.25 – Esquema básico de ligação de termopares

4.4 TUBO PITOT

A medição da velocidade de um fluido pode ser feita através de um instrumento chamado “tubo Pitot”, em homenagem ao seu inventor, Henri Pitot. Os princípios da hidrodinâmica regem o funcionamento deste instrumento.

Instrumento de medição

Referência Ponto de medição

Termopar

2 1

Figura 4.26. – Tubo Pitot.

A equação de Bernoulli relaciona a pressão termodinâmica, velocidade e a

posição de um fluido: P/γ + v2/(2.g) + z = constante (4.6) Onde: P......pressão estática γ.......peso específico v.......velocidade g.......aceleração da gravidade z.......posição

Um fluido escoando em um duto pode ter a sua pressão estática medida através de instrumentos e, em função da equação de Bernoulli, pode ser determinada a velocidade do escoamento, permitindo, por fim, o cálculo da vazão.

Dentre os instrumentos mais utilizados o tubo de Pitot apresenta a vantagem

de apresentar elevada precisão associada ao baixo custo de instalação. Em função das características de instalação a variável posição não influencia

na medição, podendo ser desprezada. A velocidade do fluido atinge o valor zero quando o fluido chega na extremidade do tubo de Pitot, ponto 1 da figura 4.26

Neste ponto a energia cinética do fluido é transformada em energia piezométrica (energia de pressão). Esta pressão é denominada pressão de estagnação, P1.

Através de pequenos orifícios em uma região ao longo do tubo de Pitot é

medida a pressão estática, P2, ponto 2 da figura 4.26. Desprezando as variações do peso específico e da posição (cotas z1 e z2), pela

equação de Bernoulli podemos concluir que:

P1/γ + v12/(2.g) + z1 = P2/γ + v2

2/(2.g) + z2 (4.7)

P1/γ = P2/γ + v2

2/(2.g) (4.8)

V2= [2 . (P1 – Po)/ρ]1/2 (4.9) Onde: Po......pressão ρ.........massa especifica Sendo assim, sabendo-se o diâmetro do conduto e a massa específica do fluido a vazão pode ser determinada: V= Ar . v2 (4.10) V = (π . d2/4) . v2 (4.11) 4.5 MEDIDOR VOLUMÉTRICO

Este tipo de instrumento efetua a medição da vazão através da movimentação de um elemento causado pelo fluxo do fluido. Este elemento, ao girar, em função da vazão, gera um sinal proporcional ao deslocamento do fluido.

Figura 4.27. – Medidor de vazão de água

O sinal gerado pelo elemento corresponde a uma onda quadrada, cuja

freqüência é proporcional à vazão da água e a amplitude é função da tensão elétrica de alimentação.

Um controlador recebe o sinal gerado pelo medidor de vazão e calcula a vazão

em função da freqüência do sinal, apresentando o valor no display.

CAPÍTULO 5 – INSTALAÇÃO DO COGENCASA E EQUIPAMENTOS 5.1 INSTALAÇÃO DO COGENCASA

O COGENCASA é um laboratório, instalado na Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e vinculado Departamento de Engenharia Mecânica, tem como objetivo a pesquisa na geração de energia elétrica e climatização (refrigeração).

Decorrente de um convênio entre a UFPE e a PETROBRAS, firmado em

2001, o COGENCASA possibilita aos alunos de graduação e pós-graduação, mestrado, a pesquisa da utilização do gás natural, que é fornecido pela COPERGÁS, Companhia Pernambucana de Gás Natural.

A área construída do COGENCASA é de 250 m2 e estão instalados os

equipamentos indicados no quadro 5.1

Quadro 5.1 – Equipamentos instalados no COGENCASA

DESCRIÇÃO FABRICANTE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Microturbina CAPSTONE 30 kWe Recuperador de calor IMELZA 50 kWth

Acumulador 2 m3

Chiller de absorção YAZAKI 50 kWth (33 TR) Câmara frigorífica POLIFRIO 33 TR Sala climatizada POLIFRIO 3 TR

Torre de refrigeração ALPINA 80 kW Os equipamentos operam em conjunto, conforme descrito a seguir, exceto o

motor-gerador, que é independente dos demais e apenas fornece energia elétrica, consumindo gás natural.

O recuperador de calor, objeto deste trabalho, está instalado no laboratório

COGENCASA e faz parte de um sistema que tem como função a geração de energia elétrica e funcionamento de equipamentos de refrigeração, cujo sistema é apresentado na figura 5.1

Figura 5.1 – Esquema básico do sistema COGENCASA.

M CR F T Ac

Onde: M.....Microturbina R......Recuperador de calor A......Acunulador C.......Chiller de absorção F........Câmara frigorífica T........Torre de resfriamento Gás natural Gases de combustão Água aquecida Água a ser aquecida Água aquecida para o chiller Água do chiller para a câmara frigorífica Água de retorno da câmara frigorífica para o chiller Água de retorno do chiller para o acumulador Água do chiller para a torre Água da torre para o chiller Bomba de circulação

A microturbina (M) é alimentada por gás natural e gera energia elétrica. Os gases de combustão que saem da microturbina passam através dos tubos do recuperador de calor (R) e transferem energia térmica a água.

Esta, por sua vez, é colocada em circulação através das bombas de circulação

e, passando pelo acumulador (Ac), chegam no chiller de absorção (C), onde propiciam a obtenção da refrigeração.

O chiller de absorção (C) realiza a climatização de uma câmara de

refrigeração, de 10 TR (toneladas de refrigeração) de capacidade, e uma sala climatizada, de três TR.

No acumulador (Ac) há a mistura do fluxo de água que sai do recuperador de

calor (R) com a água que vai para o chiller de absorção (C). Este fato aumenta a eficiência da transferência de calor.

Todas as tubulações de circulação dos gases de combustão e de água são termicamente isoladas para evitar a perda e calor para o ambiente.

5.2 MICROTURBINA

Microturbinas são equipamentos similares às turbinas de grande porte e apresentam-se com capacidade de 30 a 400 kW. São equipamentos estacionários e são utilizadas para a geração e podem ser utilizadas em locais com limitações de espaço. Geralmente as microturbinas podem consumir uma vasta gama de tipos de combustíveis dentre os quais destacamos o gás natural, propano, metano, butano, óleo diesel ou querosene.

Por apresentar pequena quantidade de peças móveis (basicamente o conjunto rotativo, composto do rotor do compressor, eixo e rotor da turbina) a microturbina possui elevada confiabilidade, podendo operar por até 8.000 horas (um ano), sem interrupções para a manutenção.

No COGENCASA a microturbina pode fornecer potência elétrica de 30 kW,

nas condições ISO e o fluxo dos gases de combustão possuem uma potência de 70 kW. O combustível tem como origem a unidade de produção de gás natural, em

Guamaré, RN e apresenta a seguinte cuja composição química média é:

Tabela 5.2 - Características típicas do gás natural, originado de Guamaré (RN) Composição, % volume

• Metano • Etano • Propano • Gás carbônico • Nitrogênio

83,22 11,11 0,53 3,03 2,11

Poder calorífico superior • kcal/kg • kcal/m3 a 0ºC • kcal/m3 a 20ºC

11 744 9 880 9 206

Poder calorífico inferior • kcal/kg • kcal/m3 a 0ºC • kcal/m3 a 20ºC

10 617 8 932 8 322

Massa molecular 18,84 Massa específica (densidade)

• kg/ m3 a 0ºC • kg/ m3 a 20ºC • relativa à massa específica do ar

0,8412 0,7838 0,6506

Número de Wobbe • kg/ m3 a 0ºC

12 248

Ar teórico • kg ar / kg gás • m3 ar / m3 gás

15,28 9,94

Fonte: GARCIA (2002) 5.2.1 Funcionamento da microturbina

O ar de combustão passa pelo compressor, que é acionado pela turbina, sendo comprimido. O gás natural é introduzido na câmara de combustão e é misturado ao ar de combustão. O gás de combustão realiza expansão na turbina. A potência então gerada na turbina é utilizada para:

i) movimentar o compressor, possibilitando o fornecimento de ar de

combustão; ii) movimentar o gerador elétrico, disponibilizando energia elétrica, com 30

kW, 220V, 60 Hz, monofásico.

O gás de combustão, após passar pela turbina é direcionado para um recuperador de calor, onde parte do calor sensível do gás de combustão será transferido para a água que circula no recuperador de calor.

Figura 5.2. – Microturbina.

5.2.2 Componentes da microturbina

Figura 5.3 – Microturbina em perspectiva e em corte. (Fonte: catálogo CAPSTONE)

Mancais a ar

Turbina

Câmara de combustão

Recuperador de calor

Compressor

Gerador elétrico

Os principais componentes da microturbina são:

i) Gerador elétrico: gera a energia elétrica; ii) Compressor: pressuriza o ar de combustão;

iii) Recuperador de calor: possibilita o aquecimento do ar de combustão através

da transferência de calor dos gases de combustão;

iv) Câmara de combustão: local onde é feita a mistura do ar de combustão com o combustível e ocorre a queima desta mistura;

v) Turbina: elemento que tem como função propiciar a expansão dos gases de

combustão gerando trabalho mecânico;

vi) Mancais a ar: suportam o conjunto rotativo (compressor e turbina).

Figura 5.4 – Vista do conjunto rotativo da microturbina, composto de eixo, rotor do compressor e rotor da turbina.

5.3 RECUPERADOR DE CALOR

O calor sensível existente nos gases de combustão é transferido para a água em um trocador de calor.

Em um feixe tubular a água passa no interior dos tubos e o gás de combustão

passa pela parte externa. Para aumentar a eficiência na parte externa dos tubos são colocadas aletas.

Um controlador comanda um defletor para que seja controlada vazão do gás de

combustão. Um sensor de temperatura, instalado na linha de saída de água do recuperador informa o valor da temperatura da água para o controlador.

Em função do valor para o qual está regulado (set point) o controlador

comanda o posicionamento do defletor de forma que:

a) Caso a temperatura da água esteja abaixo do valor regulado, o defletor será movimento para a posição em que os gases de combustão serão direcionados aos

Eixo

Rotor do compressor

Rotor da turbina

tubos do recuperador de calor, possibilitando, assim, que ocorra o aquecimento da água no recuperador de calor;

b) Caso a temperatura da água esteja acima do valor regulado, o defletor será

movimentado para a posição em que os gases de combustão serão direcionados para a chaminé, não mais passando pelos tubos do recuperador de calor.

Figura 5.5 – Recuperador de calor.

O valor de regulagem do controlador do defletor é de 84 ºC, para a

temperatura da água de saída do recuperador de calor.

Figura 5.6 – Sistema de controle da vazão do gás de combustão.

Defletor

(a) (b)

Feixe tubular

Este valor é o necessário ao funcionamento do chiller de absorção e é o mesmo que está ajustado o controlador dos resistores instalados no acumulador (Ac).

Na posição (a) o gás de combustão passa pelo recuperador de calor, possibilitando que a energia térmica do gás de combustão possa ser transferido para a água. Na posição (b) o gás de combustão é direcionado para a saída do recuperador de calor, não sendo transferida energia térmica à água, através do trocador de calor. 5.4 CHILLER DE ABSORÇÃO

Durante o ciclo de refrigeração, a solução de bromato de lítio (denominada de solução diluída) é bombeada para o gerador (GE) através da bomba de solução (SP), onde esta solução diluída é aquecida até a temperatura de ebulição pelo calor recebido da água quente que vem do acumulador.

Esta ebulição libera o vapor refrigerante (vapor de água) da solução diluída e

possibilita que este vapor possa fluir para o condensador (CO).

No condensador (CO) o vapor de água retorna ao estado líquido, e rejeitando o calor para a água da torre de resfriamento. A água da torre de resfriamento também circula através da serpentina do condensador (CO). Na figura 5.7 será utilizada a seguinte convenção: A...............Absorvedor CO..............Condensador CVR...........Válvula comutadora E.................Evaporador GE..............Gerador H................Trocador de calor de aquecimento RV..............Válvula do refrigerante SP..............Bomba de solução SP1............Válvula solenóide 1 SP2............Válvula solenóide 2

Em função da saída da água da solução de brometo de lítio durante a etapa de ebulição a concentração da solução irá aumentar. A solução concentrada fluirá, então, do gerador (GE) para o trocador de calor de aquecimento (H) onde este último transfere calor para a solução concentrada.

A solução concentrada, agora aquecida, chegará sobre a superfície da

serpentina do absorvedor (A). A solução concentrada não pode fluir através da válvula comutadora (CVR) pois a mesma encontra-se fechada na situação de resfriamento. Sendo assim, durante a etapa de resfriamento, a solução concentrada não poderá fluir para o absorvedor (A) nem para o evaporador (E).

Como a água de resfriamento da torre está circulando pela serpentina do absorvedor (A) uma pressão de vapor relativa é gerada em função da concentração da solução de brometo de lítio, ao passo que o refrigerante líquido, vindo do condensador, flui sobre a serpentina do evaporador (E).

Figura 5.7- Chiller de absorção, na condição de refrigeração.

A solução concentrada, então, absorve o vapor do refrigerante a partir do

evaporador (E) visto que o refrigerante muda de fase no evaporador (E). É esta ação que possibilita com que ocorra a geração de frio, pois a água a ser refrigerada é quem cederá energia para que o refrigerante vaporize.

A solução concentrada retorna à condição de solução diluída à medida que a

mesma absorve o refrigerante. Nesta condição, a solução é captada e forçada, pela bomba de solução (SP) através do trocador de calor de aquecimento (H), absorvendo calor da solução concentrada e chegado, por fim, ao gerador (GE), onde irá entrar em ebulição e repetindo o ciclo.

Figura 5.8 - Chiller de absorção, na condição de regeneração.

O COP (coeficiente de performance) do chiller de absorção apresenta um comportamento que varia em função da temperatura da água refrigerada de saída do chiller, conforme indicado na figura 5.9. Estes valores referem-se a temperatura ambiente de 29,5 °C.

Figura 5.9 – COP do chiller, em função da temperatura de saída da água gelada,

As condições de operação do chiller são:

Quadro 5.2 - Condições operacionais do chiller de absorção Temperatura de entrada da água gelada 12,5 °C Temperatura de entrada da água gelada 7,0 °C Perda de carga 0,6 kgf/cm2

Pressão máxima de trabalho 6,0 kgf/cm2

Evaporador

Capacidade de refrigeração 35,2 kW Temperatura de entrada da água da torre 31 °C Temperatura de entrada da água da torre 35 °C Perda de carga 0,9 kgf/cm2

Pressão máxima de trabalho 6,0 kgf/cm2

Condensador

Calor rejeitado 85,5 kW Temperatura de entrada da água quente 70 a 95 °C Temperatura de entrada da água quente 83 °C Perda de carga 0,9 kgf/cm2

Pressão máxima de trabalho 6,0 kgf/cm2

Gerador

Calor absorvido 50,2 kW (10 TR)

CAPÍTULO 6 – MODELO EXPERIMENTAL PARA ESTUDO DO RECUPERADOR DE CALOR 6.1 EQUIPAMENTOS

Através de instrumentos instalados no sistema microturbina e recuperador de calor foi possível o acompanhamento e registro do desempenho dos equipamentos. O fluxo dos gases de combustão e o fluxo da água foram medidos nos parâmetros de temperatura e vazão, sendo estas medições realizadas nos pontos onde os fluxos entravam ou saiam do recuperador de calor, conforme indicado na figura 6.1.

Figura 6.1 - Sistema de geração de energia elétrica e recuperação de calor, com os instrumentos instalados.

Microturbina

220V

60

H

z

Rec

uper

ador

de

calo

r

TE1 VE1

TE2

TE4

VE2 TE3

Legenda: Gás natural Água de entrada Gases da combustão Água de saída

Os valores medidos foram registrados em computadores, sendo os sinais de temperatura, de natureza analógica, convertidos em sinais digitais através de um coletor de dados. Já os sinais de vazão tiveram o seu registro realizado por meio da gravação, sendo utilizada uma câmara (webcan).

6.2 SENSORES DE MEDIÇÃO

6.2.1 Termopares

Foram utilizados termopares tipo K, fabricação ECIL, número de série 003583. Este tipo de termopar foi escolhido pois apresenta elevada precisão e a faixa de utilização abrange a faixa das leituras a serem realizadas. 6.2.1.1 Instalação dos termopares

Nas tubulações de gases de combustão e de água foram colocados conectores que possibilitaram a instalação dos termopares. Estes conectores foram soldados às tubulações para evitar a ocorrência de eventuais vazamentos de fluidos.

Quadro 6.1 - Relação dos termopares e respectivos locais de instalação Símbolo Local de instalação Fotografia

TE1 Tubulação de entrada dos gases da combustão no recuperador de calor. 6.2

TE2 Tubulação de saída dos gases da combustão no recuperador de calor. 6.3

TE3 Tubulação de entrada da água no recuperador de calor. 6.4

TE3 Tubulação de saída da água no recuperador de calor. 6.5

Figura 6.2 – Termopar TE1.

Figura 6.3 – Termopar TE2.

Figura 6.4 – Termopar TE3.

Figura 6.5 – Termopar TE4.

6.2.1.2 Ligação dos termopares

Cada termopar foi ligado a um dos canais do coletor de dados (DATATAKER). A estrutura do recuperador de calor, o coletor de dados e as tubulações onde estavam instalados os termopares foram aterrados à malha de terra do sistema elétrico. Esta ação eliminou os ruídos elétricos e sinais espúrios, eventualmente existentes no sistema

Figura 6.6 – Detalhe da ligação dos termopares ao coletor de

dados.

6.2.1.3 Aferição dos termopares

Para verificar se a indicação dos termopares estava correta os mesmos foram submetidos a um procedimento de aferição que consistiu da confrontação da indicação dos termopares em relação a um termômetro padrão (aferido), em três valores de temperatura, 4ºC, 27ºC e 75ºC.

Tabela 6.1 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 4°C

Hora Termômetro TE1 TE2 TE3 TE4 11:19:40 4 3,00 2,84 3,25 2,26

11:19:50 4 2,78 2,40 3,15 2,11 11:20:00 4 3,51 3,51 3,28 1,97 11:20:10 4 2,84 3,03 3,30 2,14 11:20:20 4 3,01 3,17 3,16 1,79 11:20:30 4 3,07 3,39 2,94 2,27 11:20:40 4 2,86 3,12 3,60 2,38 11:20:50 4 3,08 3,43 3,22 1,99 11:21:00 4 3,26 3,62 3,23 2,24 11:21:10 4 2,93 2,93 3,27 2,10 11:21:20 4 3,44 3,31 2,89 1,74 11:21:30 4 2,95 3,17 2,85 2,41 11:21:40 4 3,05 3,28 4,08 2,41 11:21:50 4 2,93 3,19 3,70 2,29 11:22:00 4 2,69 2,91 3,91 1,95

11:22:10 4 2,88 2,72 3,17 1,89 11:22:20 4 2,37 2,95 4,01 1,79 11:22:30 4 3,42 3,52 3,53 1,69 Média 4 3,00 3,14 3,36 2,08 Desvio padrão 0 0,27 0,30 0,36 0,23

Tabela 6.2 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 27°C Hora Termômetro TE1 TE2 TE3 TE4

12:23:50 27 24,74 25,29 24,80 25,08 12:24:00 27 24,87 25,42 24,65 25,05 12:24:10 27 23,79 25,27 25,18 25,11 12:24:20 27 24,83 25,48 25,79 25,57 12:24:30 27 24,90 25,27 25,66 25,54 12:24:40 27 24,53 25,05 25,64 25,48 12:24:50 27 24,48 24,97 25,12 25,46 12:25:00 27 24,20 24,75 24,63 24,97 12:25:10 27 24,60 24,57 24,54 25,09 12:25:20 27 24,72 24,63 24,42 24,82 12:25:30 27 24,84 25,52 24,60 25,06 12:25:40 27 24,48 24,88 24,02 24,54 12:25:50 27 24,42 25,19 25,37 25,31 12:26:00 27 24,90 25,49 25,45 25,36 12:26:10 27 24,72 25,61 24,72 25,12 12:26:20 27 24,81 25,24 24,66 24,94 12:26:30 27 24,35 24,63 25,09 25,15 12:26:40 27 24,17 24,97 24,39 25,09 Média 27 24,58 25,12 24,93 25,15 Desvio padrão

0 0,30 0,32 0,49 0,26

Tabela 6.3 – Resultado da aferição dos termopares, na temperatura de 75°C

Hora Termômetro TE1 TE2 TE3 TE4 12:41:40 75 73,09 73,21 73,30 73,39 12:41:50 75 73,24 73,62 72,50 73,39 12:42:00 75 73,00 73,42 72,98 73,18 12:42:10 75 73,18 73,65 72,79 73,15 12:42:20 75 72,94 72,94 72,58 73,06 12:42:30 75 72,94 73,14 72,41 73,03 12:42:40 75 72,94 73,35 72,55 73,03 12:42:50 75 72,79 73,17 72,11 73,08 12:43:00 75 72,83 73,18 72,53 72,65 12:43:10 75 72,83 73,19 72,92 73,01 12:43:20 75 72,95 73,60 72,86 73,01 12:43:30 75 72,79 73,26 72,50 72,61 12:43:40 75 72,86 73,30 72,56 72,94 12:43:50 75 72,82 73,00 72,23 72,49 12:44:00 75 72,77 73,39 72,59 72,77

12:44:10 75 72,54 73,37 73,13 73,04 12:44:20 75 72,68 73,36 72,27 72,77 12:44:30 75 72,28 72,69 71,89 72,63 Média 75 72,86 73,27 72,59 72,96 Desvio padrão 0 0,22 0,24 0,35 0,25

Tabela 6.4 – Resultado da aferição dos termopares TERMOPAR

Termômetro Padrão TE1 TE2 TE3 TE4

Média das leituras a 4 ºC 4 3,00 3,14 3,36 2,08

Média das leituras a 27 ºC

27 24,58 25,12 24,93 25,15

Média das leituras a 75 ºC

75 72,86 73,27 72,59 72,96

A função de correlação entre a temperatura medida no termopar (TM) e a

temperatura corrigida (TC) foi obtida com o uso do aplicativo MATLAB, sendo o resultado apresentado na tabela 6.6

Tabela 6.5 – Resultado da aferição dos termopares, com a curva de interpolação TERMOPAR CORRELAÇÃO EQUAÇÃO

TE1 TC = 1,013 x TM + 1,431 6.1 TE2 TC = 1,010 x TM + 1,155 6.2 TE3 TC = 1,023 x TM + 0,949 6.3 TE4 TC= 1,002 x TM+ 1,869 6.3

As expressões apresentadas na tabela 6.6 foram introduzidas nos programas de

análise do desempenho do recuperador de calor para que a temperatura lida pelos termopares fosse corrigida em função da temperatura do termômetro padrão. 6.2.2 Medidor da vazão da água

A vazão da água que passa nos tubos do recuperador de calor é medida por um instrumento que consiste de uma roda, que é movimentada em função da passagem da vazão da água.

Quando a aleta da roda passa entre os indutores do instrumento há a geração

de um sinal elétrico que é captado pelo sensor instalado no instrumento. Desta forma, é obtida uma onda quadrada, cuja amplitude é função da tensão de alimentação do instrumento e a freqüência da onda é função da vazão da água.

6.2.2.1 Instalação do medidor de vazão de água

O medidor de vazão, fabricação OMEGA, modelo F-7010, diâmetro ¾ de polegadas, foi instalado na linha de descarga da bomba que introduz a água no recuperador de calor. O comprimento da tubulação antes de depois do instrumento atende às exigências do fabricante, de forma a ser garantida que o fluxo apresente o comportamento adequado. 6.2.2.2 Ligação do medidor de vazão de água ao indicador da vazão

Para que o valor medido pelo instrumento possa ser lido é necessário que o medidor seja ligado ao indicador de vazão, fabricante OMEGA, modelo DPF 701-01, número de série 2230252.

A ligação entre o medidor de vazão e o indicador de vazão foi feita conforme

indicado no manual do indicador, que está apresentado no anexo. Em função da inexistência de condição de interligação do indicador da vazão

da água ao coletor de dados, o registro dos valores da vazão da água foi feito através da gravação das indicações da vazão por meio de uma webcan, sendo estas medições gravadas em um arquivo. Os valores de vazão foram, então, após o termino do experimento, digitados em um arquivo para poderem ser analisados em conjunto com os valores da temperatura. 6.2.2.3 Aferição do medidor de vazão da água

Para a aferição da leitura do instrumento de medição da vazão da água foi calibrado um tanque de 1.000 litros. Mediu-se, então, o tempo necessário para que a bomba introduzisse 240 litros no tanque

Esta medição foi feita três vezes e a vazão da bomba foi definida pelo cálculo

da média aritmética das três medições. Durante a aferição a indicação do medidor de vazão foi 14, e o volume de 240

litros foi preenchido em 5 minutos. Nas condições normais de operação o indicador de vazão apresenta a leitura 36.

Desta forma, temos: a) Aferição:

Indicador de vazão = 14

Vazão = 240 litros/5 minutos = 48 litros/minuto = 0,8 litro/segundo.

b) Na condição de operação:

Indicador de vazão = 35, ou seja, na condição de operação a vazão é 35/14 vezes a vazão da condição de operação. Logo, a vazão na condição de operação é de: Vazão = 0,8 x 35/14 = 2 litros/s.

O valor especificado na plaqueta do recuperador de calor para a vazão da água é de 2 litros/s, o que foi confirmado pela aferição realizada antes do experimento.

6.2.3 Medidor da vazão dos gases de combustão

A vazão dos gases de combustão foi medida por um “tubo Pitot” instalado na saída da tubulação. O “tubo Pitot” ficou posicionado no centro da tubulação e, através de um manômetro diferencial, a diferença entre a pressão dinâmica e a pressão estática foi medida.

O registro dos valores medidos foi feito através da gravação utilizando-se uma

webcam, sendo estas medições gravadas em um arquivo. Foi utilizada a mesma estrutura de gravação que registrou a vazão da água. 6.2.3.1 Aferição do medidor de vazão do gás

Figura 6.7 – Relação entre a potência fornecida pela microturbina e a temperatura de saída dos gases

de exaustão

Posicionou-se o “tubo Pitot” ao longo da diagonal vertical da tubulação de saída dos gases de combustão, medindo-se o valor da diferença entre a pressão dinâmica e a pressão estática a intervalos de 25 mm. Veja figura 6.8.

Os valores obtidos indicam que o escoamento dos gases de combustão é

turbulento, conforme indica a figura 6.9.

Figura 6.8 – Detalhe dos pontos de aferição do medidor de

vazão dos gases de combustão.

Tabela 6.6 – Valores obtidos e calculados na medição da vazão dos gases de combustão na temperatura dos gases de 80ºC

Ponto Diferencial de pressão (Pa)

(Valor medido)

Velocidade (m/s) (Valor

calculado)

Vazão (kg/s) (Valor

calculado) 1 20 6,3 0,30 2 21 6,5 0,31 3 21 6,5 0,31 4 22 6,6 0,32 5 22 6,6 0,32 6 22 6,6 0,32 7 21 6,5 0,31 8 21 6,5 0,31 9 21 6,5 0,31

Figura 6.9 – Perfil da velocidade dos gases de combustão no

interior do duto de exaustão.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Sendo assim, na condição do experimento (15 kW), a vazão mássica dos gases de combustão é de 0,30 kg/s, valor este que está dentro da indicação do fabricante da microturbina.

CAPÍTULO 7 – RESULTADOS OBTIDOS 7.1 CONDIÇÃO DE REALIZAÇÃO DO TESTE

O teste foi realizado no dia 14.09.2005, das 10:12 às 17:23h. A microturbina operou durante todo o teste fornecendo potência de 15 kW e temperatura ambiente de 30 ºC.

Desempenho do sistema de recuperação - subsistema de água quente

050

100150200250300

10:12 10:41 11:10 11:38 12:07 12:36 13:04 13:33 14:02 14:30 14:59 15:28 15:56 16:25 16:54 17:22

Tempo (hh:mm)

Tem

pera

tura

(C

)

Temperatura dos gases de combustão na entrada do recuperador de calor (T1) (C)

Temperatura dos gases de combustão na saída do recuperador de calor (T2) (C)

Temperatura da água na entrada do recuperador de calor (T3) (C)

Temperatura da água na saída do recuperador de calor (T4) (C)

Temperatura da água na saída do acumulador para o chiller (T5) (C)

Temperatura da água no retorno do chiller para o acumuldor (T6) (C)

Figura 7.1 – Temperaturas T1, T2, T3, T4, T5 e T6 durante o teste

Desempenho do sistema de recuperação - subsistema gases de combustão

0

50

100

150

200

250

300

10:12 10:43 11:14 11:44 12:15 12:46 13:16 13:47 14:18 14:48 15:19 15:50 16:20 16:51 17:22

Tempo (hh:mm)

Tem

pera

tura

(C)

Temperatura dos gases de combustão na entrada do recuperador de calor (T1) (C)Temperatura dos gases de combustão na saída do recuperador de calor (T2) (C)

Figura 7.2 –Detalhe das temperaturas T1 e T2 durante o teste

Desempenho do sistema de recuperação - subsistema de água quente no recuperador de calor

0

20

40

60

80

100

10:12 10:46 11:20 11:54 12:28 13:02 13:36 14:10 14:44 15:18 15:52 16:26 17:00

Tempo (hh:mm)

Tem

pera

tura

(C)

Temperatura da água na entrada do recuperador de calor (T3) (C)

Temperatura da água na saída do recuperador de calor (T4) (C)

Figura 7.3 – Detalhe das temperaturas T3 e T4 durante o teste

7.2 PROCEDIMENTO DE CÁLCULO DOS FLUXOS DE CALOR, PARTE EXPERIMENTAL

Após a coleta dos dados os valores de temperaturas e vazões foram convertidos em um arquivo texto (.txt), para poderem ser lidos no programa desenvolvido para o cálculo dos fluxos de calor.

Um banco de dados das características termodinâmicas do ar e da água foi

elaborado utilizando-se o aplicativo EES (Eletronic Equation Solver). Um programa foi desenvolvido para determinar o calor específico, viscosidade, número de Prandt, condutividade térmica e volume específico, tanto da água como do ar. Para a água o intervalo de determinação foi de 1 até 99 ºC enquanto que para o ar o intervalo foi de 1 até 600 ºC, com incrementos de 1 ºC, para ambos os casos. Obteve-se, assim, uma tabela que indicava as características em função da temperatura. Através de interpolações lineares poderão ser obtidas as características dos fluidos para as temperaturas medidas no experimento.

O programa, após elaborado, foi posto em operação, sendo utilizados como

dados os valores indicador por INCROPERA, através do exercício 11.7. O resultado apresentado pelo programa foi exatamente os valores apresentados como resposta no exercício citado, concluindo-se, assim, que o programa consegue simular adequadamente a condição de funcionamento térmico do recuperador de calor.

Figura 7.4 - Fluxograma para cálculo do fluxo de calor dos gases de combustão e do fluxo da água.

Início

Ler T0, T1, T2, T3, T4, TAMB, V1 e

V2

TM1 (T2+TAMB)/2 TM2 (T3+T4)/2

C1 Interpolar na tabela em função de TM1 C2 Interpolar na tabela em função de TM2 R1 Interpolar na tabela em função de TM1 R2 Interpolar na tabela em função de TM2

Q1=V1*C1*(T1-T2) Q2=V2*C2*(T4-T3)

Arquivar Q1, Q2 e T0

FIM

V1 V1*R1 V2 V2*R2

Fim dos dados?

Não

Plotar gráfico TO, Q1 e Q2

7.3 PROCEDIMENTO DE CÁLCULO DOS FLUXOS DE CALOR, MODELAGEM MATEMÁTICA

Na abordagem matemática foi desenvolvido um modelo que calcula o calor recebido pelo fluxo de água levando-se em consideração:

a) o escoamento dos gases de combustão (vazão, número de Reynolds,

coeficiente de convecção); b) as características termodinâmicas dos gases de combustão; c) as temperaturas de entrada e saída dos gases de combustão no recuperador

de calor; d) a vazão dos gases de combustão; e) as características geométricas do recuperador de calor, tanto no lado dos

gases de combustão como no lado da água; f) o escoamento da água (vazão, número de Reynolds, número de Nusselt,

coeficiente de convecção). As características dos gases de combustão e da água foram determinadas

utilizando-se o mesmo procedimento aplicado no cálculo da parte experimental. Para a determinação das características geométricas do recuperador de calor

foi escolhido o modelo CF-7.0-5/8J, descrito por KAYS (1984), pois este modelo tem os parâmetros característicos mais próximos dos recuperadores de calor instalados no COGENCASA e no CENPES. Para o recuperador de calor instalado no CENPES, foram, inclusive, elaborados desenhos técnicos em escala, a partir do levantamento de campo, quando o equipamento foi desmontado para análise.

O fator jc, fator de Colburn, que determina as características de transferência

de calor do lado do gás, em função do escoamento, foi obtido através da interpolação a partir da figura 7.5. Uma matriz relacionando o número de Reynolds e fator de Colburn foi introduzida no programa que determinou o calor recebido pela água. Através de interpolação, o valor do fator de Colburn é determinado em função do número de Reynolds.

Figura 7.5 – Fator de Colburn (fator jc). Fonte Kays e London.

CAPÍTULO 8 – ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 8.1 CONSIDERAÇÕES QUANTO ÀS CARACTERÍSTICAS DOS GASES DE COMBUSTÃO

Conforme o catálogo do fabricante a microturbina funciona com um excesso de ar de 300%, ou seja, além do ar necessário à combustão estequiométrica, é introduzido um volume que corresponde a três vezes o volume teórico estequiométrico. Nas microturbinas, do mesmo modo que ocorre nas turbinas a gás, este excesso de ar tem como função efetuar o arrefecimento do equipamento e efetuar uma atenuação do ruído.

Considerando que o gás natural fornecido à microturbina é composto de,

basicamente, metano, temos a seguinte reação de combustão: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + calor Analisando os gases de combustão, verificamos que 25% corresponde a

parcela estequiométrica. Esta parcela tem a seguinte composição média, em volume: 78%.............N2 21 %............CO2 e HsO Os 75% restantes não reagem com o combustível, não apresentam variação na

composição, ou seja, apresentam a composição média, em volume, de: 78%.............N2 21 %............O2

Combinando estas duas parcela, temos que os gases de combustão terão uma

composição média, em volume, de: N2 = 0,78 . 75% + 0,78 . 25% = 78% O2 = 0,21 . 75 % = 15,8% CO2 + H2O = 6,2 %

Realizando, através de uma simulação numérica, uma composição das características do nitrogênio (N2), oxigênio (O2), gás carbônico (CO2) e vapor de água (H2O), obedecendo às proporções indicadas acima, temos o seguinte comportamento das principais propriedades termodinâmicas do ar em relação ao gás de combustão:

Conclui-se das figuras 8.1 e 8.2 que, para a faixa de temperatura em que o gás de combustão transfere calor no trocador de calor (maior que 150 ºC), as propriedades do gás de combustão (75% de ar mais 25 de gases resultantes da combustão) são semelhantes às do ar. Sendo assim, iremos considerar, para fins de cálculo, que o gás de combustão tem as propriedades do ar.

Os resultados das pesquisas feitas por Randermacher (2002) concluíram que a

proporção de nitrogênio contido nos gases de combustão é de 78%, similar à do ar atmosférico, enquanto que o teor de oxigênio presente nos gases de combustão é de 17,7%, próximo ao teor do oxigênio do ar atmosférico, que é de 21%. Conclui-se que a consideração de similaridade entre o ar atmosférico e os gases de combustão, quanto a composição e características, para a condição de excesso de ar de 300%, é adequada.

Figura 8.1 – Relação entre o calor específico do ar e do gás de combustão.

Relação entre o volume específico do ar e do gás de combustão

0,5

1

1,5

1 51 101 151 201 251 301

Temperatura (C)

Rel

ação

Figura 8.2 – Relação entre o volume específico do ar e do gás de combustão.

Para fins de análise do programa desenvolvido foram feitas considerações

sobre o fluxo dos gases de combustão. Estas considerações têm como objetivo a simplificação do programa ao mesmo tempo em que é respeitada a exatidão do experimento.

Relação entre o calor específico do ar e do gás de combustão

0,5

1

1,5

1 51 101 151 201 251 301 Temperatura (C)

Rel

ação

Figura 8.3 – Características de funcionamento da microturbina.

Figura 8.4 – Relação entre a potência fornecida pela microturbina e a temperatura ambiente.

8.2 PROGRAMA PARA O CÁLCULO DO CALOR LIBERADO PELOS GASES DE COMBUSTÃO, CALOR RECEBIDO PELA ÁGUA E POTÊNCIA GERADA PELA MICROTURBINA

O processamento dos dados obtidos durante o experimento, utilizando o programa desenvolvido para este fim, apresentado no apêndice 4, possibilitou a verificação do desempenho do recuperador de calor.

Na figura 8.5, que foi elaborada pelo programa, o valor do calor cedido pelos gases de combustão está indicado pela curva da cor azul, o calor recebido pela água está indicada em verde e a potência elétrica gerada está indicada pela curva em vermelho.

Analisando-se a figura 8.5 pode ser verificado que quando os gases de

combustão são direcionados para a chaminé, sem passar pelo recuperador de calor, há uma grande perda de energia térmica.

0 500 1000 1500 2000 2500 30005

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tempo (s)

Pot

ênci

a (k

W)

Desempenho do recuperador de calor

Calor cedido pelos gasesCalor recebido pela águaPotência elétrica gerada

Figura 8.5 – Calor cedido pelos gases de combustão, calor recebido pela água e potência elétrica gerada.

8.3 LIMITAÇÕES DOS RESULTADOS OBTIDOS

A medição da vazão da água e dos gases de combustão, mesmo sendo realizada através de instrumentos adequados não pode ter os valores obtidos introduzidos no coletor de dados pois não havia interface adequada para tal ação. Para que os valores lidos nestas variáveis pudessem ser analisados e utilizados nos cálculos procedeu-se a introdução, por digitação, dos mesmos no banco de dados.

CAPÍTULO 9 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 9.1 CONCLUSÕES 9.1.1 O conjunto de controle, responsável pelo direcionamento dos gases de combustão para o recuperador de calor ou para a chaminé, em função da temperatura de saída da água (T4), funciona corretamente, sendo capaz de manter o sistema de refrigeração funcionando corretamente, limitando a carga térmica direcionada ao chiller; 9.1.2 A capacidade atual do sistema de refrigeração (câmara frigorífica e sala climatizada) é atendida, parcialmente, através do chiller de absorção, com a microturbina gerando 15 kW; 9.1.3 O fluxo dos gases de combustão apresenta uma temperatura média, após a saída do recuperador de calor, de cerca de 120 °C. Este fluxo poderá ser utilizado para aquecimento em estufas; 9.1.4 A temperatura ambiente em Recife (média anual de 28 °C) acarreta uma redução na potência elétrica disponibilizada pela microturbina e um aumento na temperatura média dos gases de exaustão; 9.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

9.2.1 Avaliar a do sistema para a condição da microturbina operar entre 15 kW até 30 kW; 9.2.2 Avaliar a geometria construtiva do acumulador (Ac) para que a água de retorno do chiller possa ser direcionada para o recuperador de calor, buscando um aumento do rendimento de transferência de calor no recuperador de calor; 9.2.3 Avaliar o projeto de um recuperador de calor com capacidade de absorver toda a potência gerada pela microturbina (30 kW). Apresenta-se, no apêndice 5, os desenhos de um recuperador de calor de fabricação da MICOGEN, realizados a partir da inspeção ao equipamento instalado no CENPES, PETROBRAS; 9.2.4 Avaliar o controle da vazão de água através da variação da rotação da bomba, tanto para a vazão entre o recuperador de calor e o acumulador, como entre o acumulador e o chiller; 9.2.5 Avaliar a modificação do sistema de controle do dumper do recuperador de calor, substituindo o atual sistema liga-desliga (on-off) por um sistema de controle variável, no qual possa ser possível a operação do dumper em qualquer posição, entre a condição “aberto” e a condição “fechado”; 9.2.6 Implementar um sistema de medição da vazão de água e dos gases de combustão de forma que as medições obtidas possam ser coletadas pelo sistema coletor de dados, aumentando, assim, a precisão dos dados;

9.2.7 Realizar o experimento com os seguintes valores de temperatura da água que sai do acumulador para o chiller: 85°C, 90°C, 95°C; 9.2.8 Realizar o experimento verificando o COP do chiller para vários valores de temperatura;

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ARAÚJO, Celso. Transmissão de calor. Rio de Janeiro. LTC - Livros Técnicos e Científicos. 1978. GARCIA, Roberto. Combustíveis e combustão industrial. Rio de Janeiro, Editora Interciência. 2002 GEISER, P; KOTTKE, V. Numerical simulation of temperature, heat transfer and heat flux in flat and finned tube heat exchangers. Trabalho apresentado no International symposuim on compact heat exchangers. Genoble, França. 2002. HOLMAN, Jack Philip. Transferência de calor. São Paulo. McGraw-Hill. 1983. HÜBNER, Maria Martha. Guia para elaboração de monografias e projetos de dissertação de Mestrado e Doutorado. São Paulo. Editora Mackenzie. 1998. INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P. Fundamentos de transferência de calor e de massa. Rio de Janeiro. LTC - Livros Técnicos e Científicos. 4º ed. 1998. KAYS, W. M.; LONDON, A. L. Compact Heat Exchangers. New York. McGraw-Hill. 1984. KERN, D. O. Process heat transfer. Tóquio. McGraw-Hill. 1950. KREITH, Frank. Princípios da transmissão de calor. São Paulo. Editora Edgard Blücher. 3º edição, 1998. REED, Richard James. North American Combustion Handbook. Cleveland. North American Mfg. Co. 3rd edition, volumes I and II, 1997. SILVA. Remi Benedito. Manual de termodinâmica transmissão de calor. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo. 19??.

ANEXO