1

MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--056056

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade

alansulato@ufpr.bralansulato@ufpr.br

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

2

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

HISTÓRICO:

� O desenvolvimento da tecnologia de cogeração teveseu início no final do século XIX, quando se passou agerar e a utilizar as mais diversas formas de energia. Acogeração chegou a ser muito usada nas indústriasinicialmente, perdendo depois a competitividade para aeletricidade produzida pelas concessionárias nasgrandes centrais geradoras com ganhos de escala.Assim, a co-geração ficou limitada a sistemas isolados(plataformas submarinas ou em alto mar) e indústriascom resíduos combustíveis (canavieira e de papel ecelulose, por exemplo).

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

HISTÓRICO:

� Nas últimas décadas, porém, um novo modelo dosetor elétrico voltou a estimular a produção elétricalocal que fosse mais eficiente e de baixo custo,levando ao aperfeiçoamento da tecnologia dacogeração, inclusive para pequeno e médio porte.

3

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

HISTÓRICO:

� Após a década de 80, foi que a cogeração teve seureal reconhecimento, isto devido ao aumento doconsumo de energia e a busca do aumento daeficiência dos combustíveis utilizados.

Principais fatores do desenvolvimento de cogeração

150US$

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

HISTÓRICO:

� Os projetos de cogeração utilizam, em sua grandemaioria, biomassa ou gás natural como combustível.A primeira situação já está bem consolidada, já asegunda se depara com algumas incertezas,principalmente relacionadas com o custo docombustível.

4

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

DEFINIÇÃO:

� Cogeração consiste na tecnologia de produçãocombinada e seqüencial de potência (energia elétricaou mecânica) e energia térmica útil (calor), destinando-se ambas ao consumo próprio ou de terceiros,proveniente de qualquer ciclo termodinâmico equalquer que seja a fonte de energia.

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

DEFINIÇÃO:

Q combustível

Q perdido

W efetuado

Q perdido

Q utilizado

Q transferido

Definição esquemática de cogeração

5

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

DEFINIÇÃO:

� O termo pode ser encontrado como CHP (CombinedHeat and Power)

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

OUTRAS DEFINIÇÕES:

� Trigeração:Quando há produção de energia elétrica, refrigeraçãoe também energia térmica.

� Poligeração:Produção de energia elétrica, mecânica, energiatérmica e produtos químicos. Ex.: CO2, que pode serseparado dos gases de combustão.

6

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

CARACTERÍSTICAS:

� Visa principalmente o uso eficiente da energia.Comparado a sistemas convencionais, apresenta altaeficiência térmica (80%), conseqüentemente baixasperdas (20%).Dependendo da configuração do sistema, apresentagrande flexibilidade quanto ao combustível a serutilizado.

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

CARACTERÍSTICAS:

7

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

CARACTERÍSTICAS:

� Os sistemas de cogeração mais utilizados sãocompostos por turbina a gás, turbina a vapor, motoralternativo e célula de combustível, ambosapresentando diferenças entre os rendimentoselétricos e térmicos obtidos. No entanto, todos elestêm em comum um aproveitamento útil da energiaprimária extremamente elevado.

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

PARTES COMPONENTES:

� As principais partes componentes de um sistema decogeração são:

Unidade Geradora Consumo Primário

Consumo SecundárioCaldeira ou

Câmara de Combustão

Turbina ouMotor

Processo

Trabalho

8

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

CLASSIFICAÇÃO:

� A classificação dos sistemas de cogeração sãonormalmente realizados segundo:� Tipo de Sistema,� Condições de emprego,� Tipo de energia gerada.

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

SISTEMAS DE COGERAÇÃO:

� MOTOR ALTERNATIVO

9

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

SISTEMAS DE COGERAÇÃO:

� TURBINA A VAPOR

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

SISTEMAS DE COGERAÇÃO:

� TURBINA A GÁS

10

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

SISTEMAS DE COGERAÇÃO:

� COMBINADO

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

UTILIZAÇÃO:

� Estes sistemas são usados principalmente para ageração de energia elétrica e fornecimento de energiatérmica em industrias petroquímicas, de alimentos,celulose e papel entre outras.

11

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

VANTAGENS:

� País:Economia de energia primária, diversidade de produçãoenergética, redução dos níveis globais de poluição.

� Companhias geradoras:Aumento da oferta de energia disponível, substituiçãode unidades geradoras de alto custo.

� Cogerador:Garantia no fornecimento de energia, ganhoseconômicos, aproveitamento de resíduos combustíveis;

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

DESVANTAGENS:

� País:Necessidade de regulamentação, infra-estrutura detransmissão.

� Companhias geradoras:Ajuste na distribuição de energia pela rede, menormercado.

� Cogerador:Investimentos adicionais.

12

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

MICROCHP - MICRO-COGERAÇÃO

� Uma nova tendência. A instalação é geralmente emuma casa ou em pequenas empresas. Em vez dequeimar combustível apenas para aquecimento doambiente ou simplesmente da água, parte da energiaé convertida em eletricidade. Esta energia elétricapode ser utilizados dentro de casa ou nas empresa,ou (se for permitido pela rede de gestão-governo)vendidos de volta para a rede de energia elétrica.

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

MICROCHP - MICRO-COGERAÇÃO

� As instalações atuais podem usar cinco diferentestecnologias: micro-turbinas, motores de combustãointerna, motores “stirling” de ciclo fechado, motores avapor e as células de combustível.

13

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

MICROCHP - MICRO-COGERAÇÃO

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EQUAÇÕES:

� São obtidas à partir do balanço de massa e energia dosistema. Iguais a GV, TV e TG.

η = ((W líquido + |Q utilizado em sub processos|)/ Q fornecido ) *100

14

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EXERCÍCIO 1: escreva a função da n do sistema deCogeração

GV

TV

Prensa

BombaSecadores

Con

dens

ador

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EXERCÍCIO 2: escreva a função da n do sistema deCogeração

GV

TV

Prensa

BombaSecadores

Con

dens

ador

TV

Reaquecedor

15

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EXERCÍCIO 3:

Calcular a eficiência térmica do sistema decogeração proposto. O sistema é composto porduas TG, um GV que aproveita os gases quentesprovenientes da combustão nas TG’s e uma TV,sendo que o sistema ainda fornece umadeterminada quantidade de energia térmica parasub-processos.

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EXERCÍCIO 3:

37% Utilizadoem sub-processos

5

6

7

8

c2

c3

c1

Recuperador

16

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EXERCÍCIO 3:

Considerar os seguintes dados:Turbinas a Gás:T1=22 °CC1=0,2835 KJ/Kg.KT2=78 °CC2=0,3166 KJ/Kg.KT3=820 °CC3=0,3382 KJ/Kg.KT4=730 °CGerador de vapor, Turbina a vapor:h5=189 KJ/Kgh6=920 KJ/kgh7=835 KJ/kgh8=175 KJ/kg

COGERAÇÃOCOGERAÇÃO

EXERCÍCIO 3:

η = (W líquido / Q fornecido) * 100η = ((WTG1+WTG2-WC1-WC2+WTV-WB+(QSP*0,37))/(QCC1+QCC2)) * 100