Defesa Mestrado 30.06.2005.ppt
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ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA APLICAÇÃO DE INSUMOS
EM SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-
ADSORTIVO APLICADOS EM CONDICIONAMENTO DE AR
Aluno:Marco Antonio Medeiros dos Santos
Orientador:Prof. Dr. José Rui Camargo
Universidade de Taubaté
Mestrado em Engenharia Mecânica
Sistema de Resfriamento Evaporativo-
Adsortivo
CONTEXTO E
ANÁLISE AMBIENTAL
INTRODUÇÃO:
Conscientização ecológica e papel fundamental da engenharia em estudos eco-eficientes;
Utilização racional de energia e água =>retorno financeiro e desenvolvimento sustentável;
OBJETIVO:
Estudar opções mais econômicas para utilização de insumos no sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo proposto por CAMARGO (2003), como gás natural, vapor, condensado de vapor, gases de combustão de caldeira e o aproveitamento de água de chuva.
Sistema de Resfriamento Evaporativo-
Adsortivo
CARACTERÍSTICAS E
FUNCIONAMENTO
CARACTERISTICAS: É ecologicamente correto pois não usa gás que
contenha CFC ou HFC;
É atrativo pela redução no consumo de energia quando utilizado fontes de calor residual;
Pode ser utilizado em regiões onde se encontram altas taxas de umidade relativa do ar;
É de fácil manutenção, instalação e operação;
Retêm fungos e bactérias eliminando a recirculação e a proliferação.
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO: É um processo endotérmico, ou seja, é
acompanhado de absorção de calor;
Exemplos;
Caso específico de resfriamento evaporativo induzido pela aspersão de água em uma corrente de ar. Fluidos de trabalho: ar e água;
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
Tipo de Resfriamento Evaporativo:
Figura 1 – Tipos de resfriadores evaporativos
a. Nebulização b. Aspersão
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
Figura 2 –Resfriador evaporativo direto – Viva Equipamentos (Camargo, 2003)
DESUMIDIFICAÇÃO POR ADSORÇÃO:
É um fenômeno na qual moléculas de um fluido concentram-se espontaneamente sobre uma superfície sólida;
Exemplos de adsorventes ou dessecantes: dióxido de silício (sílica gel), cloreto de lítio e alumínia ativada.
DESUMIDIFICAÇÃO POR ADSORÇÃO:
Tipo de desumidificadores:
Figura 3 – Tipos de desumidificadores por adsorção (Fonte: Camargo, 2003)
a. Torre b. Cilindro Rotativo
FUNCIONAMENTO:
Figura 5 – Sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo
FUNCIONAMENTO:
Figura 6 – Dessecante e fluxo de ar de reativação
FUNCIONAMENTO:
Figura 7 – Passagem do ar de processo pelo desumidificador
FUNCIONAMENTO:
Figura 8 – Resfriador evaporativo indireto
FUNCIONAMENTO:
Figura 9 – Passagem do ar de processo pelo Resfr. Evaporativo Indireto
FUNCIONAMENTO:
Figura 10 – Resfriador evaporativo direto
FUNCIONAMENTO:
Figura 11 – Passagem do ar de processo pelo Resfr. Evaporativo Direto e Ambiente
FUNCIONAMENTO:
Figura 12 - Ciclo psicrométrico para o sistema proposto (Fonte: Camargo, 2003)
DADOS DO PROJETO:
• Carga térmica do ambiente: 10 TR;
• Temperatura de Reativação: 71,1ºC (mínima);
• Horas de operação do sistema: 240 h/mês;
• Vazão de água necessária no sistema: 42,2 l/h;
• Potência necessária para reativação: 58 kW
Sistema de Resfriamento Evaporativo-
Adsortivo
Custosde
Consumo e Instalação
FONTES DE CALOR:
• Energia elétrica;• Gás natural;• Vapor;• Condensado de Vapor;• Gases de combustão
Opções de insumos para o Trocador de Calor (Ar de Reativação):
FONTES DE CALOR :
Figura 13 – Esquema de aquecimento do ar de reativação
FONTES DE CALOR:
Energia Requerida:
TCPVE ARARARREQ
KKkg
kJ
m
kg
s
mEREQ 56,3001,113,167,1
3
3
kWs
kJEREQ 5858
FONTES DE CALOR:
Energia Elétrica:
Potência Instalada necessária para a Troca (η=95%):
Custo da energia elétrica: US$0,075/kWh
mêsUS 90,098.1$Custo do Insumo
Consumido:
kW05,61
FONTES DE CALOR:
Gás Natural:
Potência consumida na troca (η=85%):
Custo do gás natural (COMGÁS-jan2005): US$1,39/m³
Consumo:
skJ24,68
mês
m
mkJ
hs
mêsh
skJ
PC
HEGN
GN
CONSC
³36,617.1
³454.36
360024024,68
FONTES DE CALOR:
Gás Natural:
00,750$USCusto instalação:
Custo do Insumo Consumido:
mêsUS 84,960$
$688,2$³
596893,1$³36,617.1
USRNm
Rmêsm
C
CGNCI
dolar
GNCFC
FONTES DE CALOR:
Vapor (P=600 kPa):
Potência consumida na troca (η=85%):
Consumo:
skJ /24,68
mês
kg
h
s
mês
h
kgkJ
skJH
h
EVP
LV
CONSC 3,531.283600240
48,066.2
24,68
óleo
vapor
vapor
óleo
LV
óleo
kg
kg
kgkJ
kgkJ
h
PCTC 71,158,0
48,066.2
8,584.40
Taxa de consumo de óleo combustível:
FONTES DE CALOR:
Vapor (P=600 kPa):
00,1200$USCusto instal. do Vapor:
Custo do Insumo Consumido:
mêsUS 03,485$
vapor
óleo
vapor
óleoÓLEOVP kg
US
kg
kgkg
US
TC
CC 017,0$
71,15
2745,0$
vapor
vaporVPCFC kg
USX
mês
kgCVPCI
017,0$3,531.28
FONTES DE CALOR:
Condensado de Vapor (P=180 kPa):
Potência consumida na troca (η=80%): skJ /5,72
Consumo:
Utilização da bomba de condensado:
mês
h
hm
mêsh
kgm
hkg
bV
HvmUB
CV
CVCVCV 48,38
³33,133
240³
01026,0250.1
hkgmCV /250.1
FONTES DE CALOR:
Condensado de Vapor (P=180 kPa):
Custo do Insumo Consumido:
00,300.2$USCusto instal. do Cond. de Vapor:
mêsUS 39,197$
mês
US
mês
USCCCI OCVEBCVFC
27,195$12,2$
FONTES DE CALOR:
Gases de Combustão de Caldeira:
Dados de placa do Ventilador da Caldeira*:
Vazão: 110 m³/min;Pressão Estática: 6,52 kPa
* Caldeira ATA MP-810, capacidade de 6.000 T/h
FONTES DE CALOR:
Gases de Combustão de Caldeira:
Potência consumida na troca (η=80%):
Duto para os gases de combustão:
Comprimento: 30 m (Ø430 mm);Perda de carga: 0,155 kPa
Consumo*: smmGC /³71,0
skJ /5,72
*Condição para garantir a temperatura dos gases de saída acima dos 200ºC.
FONTES DE CALOR:
Gases de Combustão de Caldeira:
Custo do Insumo Consumido:
00,500.3$USCusto instal. dos gases de combustão:
Não se aplica
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
• Rede Pública;
• Aproveitamento da Água de Chuva
Opções de Fonte de Água:
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
Água Rede Pública:
Vazão Necessária:
Custo da Água (SABESP): US$0,50/m³
00,180$USCusto instal. da Água Rede Pública:
h
m³1024,42 3
³
50,0$240
³1024,42 3
m
US
mês
h
h
m
Custo da Água:
mêsUS 07,5$
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
Aproveitamento da Água de Chuva:
Utilização do bombeamento de água (0,5 HP): 8 h/mês
Custo da Água:
mêsUS 19,0$
mês
h
hl
mêsh
hl
bm
mUB
AP
águaAP 76,6
min60
min25
24024,42
kWh
US
mês
hkWCUBPBCI EEAPAPRE
075,0$76,636775,0
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
Precipitações da chuva (Taubaté):
Figura 14 – Fonte: Inmetro (http://inmet04.inmet.gov.br)
Dimensionamento do Reservatório:
MesesChuva Média
mensal (mm)*Área de
Captação(m²)
Volume deChuva
Mensal (m³)
DemandaConstante
Mensal (m³)
Diferença entre osvolumes da demanda
e da Chuva (m³)
DiferençaAcumulada dos
valores posit. (m³)obs
janeiro 230 250 46,00 10,14 -35,86 E
fevereiro 195 250 39,00 10,14 -28,86 E
Março 165 250 34,00 10,14 -23,86 E
Abril 65 250 13,00 10,14 -2,86 E
Maio 50 250 10,00 10,14 0,14 0,14 D
Junho 25 250 6,00 10,14 4,14 4,28 D
Julho 30 250 6,00 10,14 4,14 8,42 D
agosto 40 250 7,00 10,14 3,14 11,56 D
setembro 75 250 15,00 10,14 -4,86 6,7 S
outubro 125 250 25,00 10,14 -14,86 -8,16 E
novembro 150 250 30,00 10,14 -19,86 -28,02 E
dezembro 210 250 42,00 10,14 -31,86 -59,88 E
Total 1360 273,00 121,68
E = água escoando pelo extravasor; D = nível de água baixando; S = nível de água subindo
Tabela 1 – Dimensionamento do Reservatório de Água de Chuva segundo RIPPL
OBS: Coeficiente de Runnoff: C=0,8* Fonte: http://inmet04.inmet.gov.br
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO:
Aproveitamento da Água de Chuva:
Custo da Instalação:Segundo Tomaz (2003), para reservatório de fibra de vidro enterrado a instalação total será: US$137/m³ e US$832,00 para acessórios e equipamento para dosagem de cloro.
Total da instalação: 00,476.2$US
Sistema de Resfriamento Evaporativo-
Adsortivo
AnáliseEconômica do
Investimento
CASO I CASO II CASO III CASO IV CASO V CASO VI
Sistema Convenc.
SISREAD Energia Elétrica
SISREAD Gás
Natural
SISREAD Vapor
SISREAD Condensado
Vapor
SISREAD Gases de
Comb.
S/ . Aprov. água
de chuva
Implantação (US$)
13.550,00 49.100,30 47.650,30 48.100,30 51.077,61 51.617,61
Preço do Ar Resfriado (US$/TRh)
0,1076 0,4870 0,4295 0,2313 0,1170 0,0292
C/ Aprov. água
de chuva
Implantação (US$) N. A. 51.396,30 50.946,30 50.396,30 53.373,61 53.913,61
Preço do Ar Resfriado (US$/TRh)
N. A. 0,4850 0,5657 0,2292 0,1149 0,0271
RESUMO DOS CUSTOS:
N. A. – Não se aplica
INVESTIMENTO X ECONOMIA
4,68 4,82 4,77
0,89
1,77
4,454,50
7,50
0,42 0,480,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
CASO II CASO III CASO IV CASO V CASO VI
(%)
Gastos Excedentes para Aproveitamento da Água Pluvial
Economia no Preço Total do Ar Resfriado
Aproveitamento de Água de Chuva
ANÁLISE ECONÔMICA:Equações para o Cálculo:
)( CTIPCSHR ARR
COCUICSH
FIPLCTI
1
)1(
k
k
q
qqF
1001
rq
(1)
(2)
(3)
(4)
Onde, CTI é o custo total do investimento usado para os insumos (US$/TRh) e F é o fator de anuidade (ano-1), taxa de juros r=12% ao ano.
ANÁLISE ECONÔMICA:Amortização ao Longo do Tempo:
Figura 15 – Amortização dos Investimentos (Receita x Tempo) – s/ aprov. Água de chuva
-90000
-80000
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Tempo (anos)
Receit
a (
US
$/a
no
)
Caso II Caso III caso IV Caso V Caso VI
ANÁLISE ECONÔMICA:Amortização ao Longo do Tempo:
Figura 16 – Amortização dos Investimentos (Receita x Tempo) – c/ aprov. Água de chuva
-90000
-80000
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Tempo (anos)
Receit
a (
US
$/a
no
)
Caso II Caso III caso IV Caso V Caso VI
ANÁLISE ECONÔMICA:Retorno de Investimento (em função do Caso II):
Figura 17 – Retorno de Investimento (PayBack) – s/ aprov. Água de chuva
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
200001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (anos)
Receit
a (
US
$/a
no
)
Caso III caso IV Caso V Caso VI
ANÁLISE ECONÔMICA:Retorno de Investimento (em função do Caso II):
Figura 18 – Retorno de Investimento (PayBack) – c/ aprov. Água de chuva
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
200001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Tempo (anos)
Receit
a (
US
$/a
no
)
Caso III caso IV Caso V Caso VI
ANÁLISE ECONÔMICA:Retorno de Investimento (Caso VI x Caso I):
Figura 19– Gráfico de Retorno de Investimento (PayBack) – Sist. Convencional x SISREAD
-55000
-50000
-45000
-40000
-35000
-30000
-25000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
50001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Tempo (anos)
Receit
a (
10xU
S$/a
no
)
Caso V S/ Cisterna Caso V C/ Cisterna Caso I
ANÁLISE ECONÔMICA:Retorno de Investimento (em função do Caso II):
Figura 20–Retorno de Investimento (PayBack) apenas p/ fonte de calor– s/ aprov. água de chuva
-30000
-25000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
150001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tempo (meses)
Receit
a (
US
$/a
no
)
Caso III Caso IV Caso V Caso VI
ANÁLISE ECONÔMICA:Retorno de Investimento (em função do Caso II):
Figura 21–Retorno de Investimento (PayBack) apenas p/ fonte de calor – c/ aprov. água de chuva
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
200001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tempo (meses)
Receit
a (
US
$/a
no
)
Caso III Caso IV Caso V Caso VI
Sistema de Resfriamento Evaporativo-
Adsortivo
Conclusões
CONCLUSÃO:
O sistema de resfriamento evaporativo adsortivo apresenta perspectivas promissoras, sendo economicamente viável onde existem fontes de calor de baixo custo ou calor residual disponível.
O aproveitamento da água de chuva pode ser um bom investimento no ponto de vista econômico, mas principalmente no ponto de vista ecológico e social.
Agradecimentos:
Prof. Dr. José Rui CamargoProf. Dr. Sebastião Cardoso
Prof. Dr. Carlos Daniel EbinumaProf. MSc. Ederaldo Godoy Júnior
Universidade de Taubaté
Mestrado em Engenharia Mecânica