Estudo Da Viabilidade de Implantação de Um Sistema de Cogeração de Energia Em Uma Lavanderia Industrial - 2015

7/24/2019 Estudo Da Viabilidade de Implantao de Um Sistema de Cogerao de Energia Em Uma Lavanderia Industrial - 2015

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ESTUDO DA VIABILIDADE DE IMPLANTAO DE UM SISTEMA DE

COGERAO DE ENERGIA EM UMA LAVANDERIA INDUSTRIAL

Gabriel Dufflis Fernandes


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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRODepartamento de Engenharia MecnicaDEM/POLI/UFRJ




PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECNICA DA ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADEFEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECNICO.

Aprovado por:


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Fernandes, Gabriel Dufflis

Estudo da Viabilidade de Implantao de um Sistema de

Cogerao de Energia em uma Lavanderia Industrial / Gabriel

Dufflis FernandesRio de Janeiro: UFRJ / Escola Politcnica,

2015.

XII, 103 p.:il, 29,7 cm

Orientador: Antnio MacDowell de Figueiredo


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Agradecimentos

A Deus, pelo dom da minha vida, pelas graas e bnos concedidas ao longo da

minha vida, e por me proporcionar calma e tranquilidade nas situaes difceis.

Aos meus pais Jesus Brasil e Ana Claudia, pelo amor e pelos puxes de orelha. Por

terem me dado o bem mais precioso que algum pode receber: educao. Por serem

exemplos para mim a cada hora dos seus dias. E pela dedicao ininterrupta famlia.

Aos meus irmos Beatriz e Guilherme, pelo companheirismo e apoio na caminhada.

Pelas brigas e momentos felizes, que sempre nos ensinam a sermos pessoas melhores.

Ao meu av Rosalvo, pelas interminveis conversas a respeito da sua vida

profissional, uma das grandes motivaes escolha da profisso de engenheiro. E pelo

exemplo de serenidade para enfrentar os desafios da vida.

A minha famlia em geral, pelo carinho e incentivo; pela saudade e pelos

reencontros.

A todos os amigos de caminhada, pelos incontveis momentos de alegria, e pelo

apoio nos momentos de dificuldade. Em especial, agradeo aos integrantes da Nau, sem os

quais a travessia dos mares revoltos da faculdade seria impossvel.


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Resumo do Projeto de Graduao apresentado Escola Politcnica/ UFRJ como parte dos

requisitos necessrios para obteno do grau de Engenheiro Mecnico.




Agosto/2015

Orientador: Prof. Dr.-Ing. Antnio MacDowell de Figueiredo

Curso: Engenharia Mecnica

No contexto atual de crise no sistema de abastecimento de energia eltrica e


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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/ UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

FEASIBILITY STUDY OF DEVELOPMENT OF A COMBINHED HEAT AND

POWER SYTEM FOR AN INDUSTRIAL LAUNDRY


August/2015

Advisor: Prof. Dr.-Ing. Antnio MacDowell de Figueiredo

Course: Mechanical Engineering

In the present context of crisis in the electrical supply system and consequent


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ndice

1 Introduo ...................................................................................................................... 1

1.1 Objetivos ............................................................................................................... 2

1.2 A Lavanderia ......................................................................................................... 3

1.3 Organizao do Trabalho ...................................................................................... 4

2 Cogerao....................................................................................................................... 5

2.1 Breve histrico da cogerao ................................................................................ 5

2.2 Cogerao no Brasil .............................................................................................. 8

2.3 Aspectos relevantes da regulamentao da cogerao .......................................... 9

2.3.1 Cogerao Qualificada .................................................................................. 9

2.3.2 Modalidades de Produo de Energia ......................................................... 10

2.3.3 Minigerao e Microgerao Distribuda .................................................... 11

2.3.4 Comercializao de Energia ........................................................................ 11


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3.2.3 Tcnicas de avaliao financeira ................................................................. 32

3.2.3.1 Valor Presente Lquido ................................................................. 32

3.2.3.2 Taxa Interna de Retorno ................................................................ 32

3.2.3.3 Payback ......................................................................................... 33

4 Apresentao do problema ........................................................................................... 34

4.1 Descrio da planta ............................................................................................. 34

4.1.1 Caldeira ........................................................................................................ 35

4.1.2 Lavadoras..................................................................................................... 36

4.1.3 Secadores ..................................................................................................... 38

4.1.4 Calandras ..................................................................................................... 40

4.1.5 Bomba .......................................................................................................... 41

4.1.6 Tanque de condensado................................................................................. 42

4.1.7 Gerador ........................................................................................................ 43


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5.1 Proposta da soluo de cogerao ....................................................................... 64

5.2 Anlise individual dos equipamentos ................................................................. 68

5.2.1 Turbina a vapor ............................................................................................ 68

5.2.2 Secadores, Calandras e Tanque de condensado........................................... 73

5.2.3 Condensador de processo ............................................................................ 74

5.2.4 Primeiro e segundo condensadores de excesso ........................................... 75

5.2.5 Bomba de processo ...................................................................................... 76

5.2.6 Bomba do ciclo ............................................................................................ 77

5.2.7 Caldeira ........................................................................................................ 80

5.3 Ponto de operao do sistema ............................................................................. 81

5.3.1 Caso 1 .......................................................................................................... 82

5.3.2 Caso 2 .......................................................................................................... 83

5.3.3 Caso 3 .......................................................................................................... 84


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Lista de Figuras

Figura 1Fluxograma simplificado do processo ................................................................. 3

Figura 2 - Sistema rudimentar de cogerao (ZONCA, 1607) .............................................. 6

Figura 3- Smokejack no Sculo XIX (GREGORY, 1826) .................................................... 7

Figura 4Fluxos de processos para os ciclos topping (a) e bottoming (b) (CREMONEZ,

2013). ................................................................................................................................... 13

Figura 5- Esquema de cogerao ciclo Brayton (ODDONE, 2001).................................... 14

Figura 6Esquema de cogerao ciclo Otto/Diesel (ODDONE, 2001). ........................... 14

Figura 7Esquema de cogerao ciclo Rankine (ODDONE, 2001). ................................ 15

Figura 8Esquema de cogerao ciclo Combinado (ODDONE, 2001). ........................... 15

Figura 9- Esquematizao de uma clula de combustvel (BARJA, 2006)......................... 16

Figura 10Esquema de funcionamento dos motores ciclo Otto (ANDREOS, 2013). ...... 17

Figura 11Esquema de funcionamento dos motores ciclo Diesel (ANDREOS, 2013). ... 17

Figura 12Diferentes configuraes de turbinas a vapor (ODDONE, 2001).................... 18

Figura 13Turbina heavy duty 9HA da General Electric (GENERAL ELECTRIC, 2015).


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Figura 30Arranjo proposto para o sistema de cogerao ................................................ 67

Figura 31Dimenses da turbina PYR (ELLIOTT, 2013). ............................................... 69

Figura 32Montagem parcial da turbina PYR (ELLIOTT, 2013)..................................... 70

Figura 33Parmetros da turbina ....................................................................................... 72

Figura 34-Coeficientes de transferncia de calor tpicos (SPIRAX SARCO, 2014). ......... 73

Figura 35Parmetros da bomba de processo ................................................................... 77

Figura 36Bomba KSB Movitec LHS 6 (KSB, 2011) adaptado ....................................... 78

Figura 37Parmetros da bomba do ciclo ......................................................................... 79

Figura 38parmetros da caldeira...................................................................................... 81

Figura 39Diagrama do ciclo de cogerao ...................................................................... 81

Figura 40- Diagrama Txs do caso 1 .................................................................................... 82

Figura 41- Consumo de vapor e combustvel caso 1 ........................................................... 82






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Lista de Tabelas

Tabela 1- Valores de X e Fcem funo da potncia e do combustvel (ANEEL, 2006). ... 10

Tabela 2 Faixa de produo da razo potncia/calor gerado em ciclos trmicos

(BALESTIERI, 2002). ......................................................................................................... 16

Tabela 3- Rendimento eltrico e global por gerador (ANDREOS, 2013). .......................... 20

Tabela 4Exemplo de sequncia do clculo do fluxo de caixa ......................................... 31

Tabela 5- Estrutura de determinao do investimento inicial (BEJAN; TSATSARONIS;

MORAN, 1996). .................................................................................................................. 32

Tabela 6Resultado do clculo iterativo ........................................................................... 49

Tabela 7Comparativo entre os regimes permanente e transiente .................................... 49

Tabela 8- Presses dos fluxos de entrada do tanque de condensado ................................... 51

Tabela 9Parmetros de operao da caldeira ................................................................... 52

Tabela 10Especificao do gs natural (ANP, 2008). ..................................................... 53

Tabela 11- Composio qumica do combustvel................................................................ 54

Tabela 12Conjunto de dados e variveis para o clculo da exergia do combustvel....... 55


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Tabela 30Parmetros de operao do primeiro condensador de excesso ........................ 76

Tabela 31Parmetros de operao do segundo condensador de excesso ........................ 76

Tabela 32Parmetros de operao da bomba de processo. .............................................. 77

Tabela 33Parmetros de operao da bomba do ciclo ..................................................... 79

Tabela 34Parmetros de operao da caldeira ................................................................. 80

Tabela 35- Propriedades termodinmicas do caso 1 ........................................................... 82




Tabela 39Eficincias de primeira e segunda leis ............................................................. 86

Tabela 40- ndices de desempenho de cogerao ................................................................ 87

Tabela 41- Produo, consumo e excedente de eletricidade ............................................... 87

Tabela 42Consumo de vapor e combustvel .................................................................... 87

Tabela 43- Parmetros para determinao do investimento de capital fixo ........................ 89

Tabela 44- Tarifa cogerao (CEG, 2015) .......................................................................... 89

Tabela 45Receita bruta mensal ........................................................................................ 90


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1 Introduo

Nas conjunturas em que o Brasil enfrenta uma situao hidrolgica desfavorvel em

relao gerao de energia eltrica, afloram discusses sobre a diversificao da matriz

energtica nacional. Desde a crise de abastecimento de energia eltrica, em 2001, quando o

governo decretou medidas de racionamento, as caractersticas do parque gerador nacional

mudaram sensivelmente. Enquanto a capacidade instalada de gerao hidreltrica

aumentou 38%, a capacidade de gerao termoeltrica cresceu 249%, evidenciando a

preocupao em tornar o sistema menos suscetvel s mudanas climticas (EPE, 2014).

No contexto atual, o pas atravessa, novamente, uma situao climtica adversa, j

que desde 2012 so observadas incidncias de chuvas abaixo da Mdia de Longo Termo

(ONS, 2015). Alm do mais, a publicao da Medida Provisria N 579, de 2012, alterou

as regras do mercado de gerao de energia eltrica, trazendo redues nas tarifas para os

consumidores finais, o que estimula o aumento do consumo. Ambos os fatos acarretaram

uma depletao severa dos reservatrios dgua que alimentam as usinas hidreltricas

nacionais, trazendo novamente tona o tema do racionamento de energia.


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excedente proveniente de produtores independentes j operando ou com disponibilidade de

instalao imediata e incio de suprimento em janeiro de 2016. Apesar do preo teto de R$

581,00 / MWh ter sido convidativo, as restries de qualificao impostas pela EPE

inviabilizaram o leilo, ocorrido em 3 de julho, no qual nenhum empreendimento foi

vendido (CCEE, 2015).

Apesar desse recente insucesso, nos ltimos anos foram vendidos empreendimentos

termeltricos baseados em gs natural com capacidade instalada expressiva, associados a

terminais de regaseificao de gs natural liquefeito importado (CCEE, 2015). Alm do

mais, haver o aumento da oferta de gs natural ao mercado proveniente da produo do

pr-sal, possibilitando a expanso da gerao termeltrica (PETROBRS, 2015).

nesse contexto que os sistemas de cogerao de energia se apresentam como

solues energticas de grande interesse, j que, atravs da gerao simultnea de energia

eltrica e calor til, a partir de uma nica fonte primria, obtm-se grandes eficincias.

Desta forma, reduzem-se no s o consumo de recursos energticos no renovveis como o

impacto ambiental causado pelo despejo dos resduos slidos e atmosfricos provenientes

do processo gerador (BALESTIERI, 2002).


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so determinadas as necessidades de energia eltrica e de vapor de processo, visando o

dimensionamento do sistema de cogerao.

Em seguida, so definidos diversos casos para dimensionamento, inclusive

contemplando possveis expanses do processo produtivo. Definidos os casos, proposta a

soluo de cogerao, aps a discusso sobre a escolha da alternativa tecnolgica mais

vivel para atendimento das demandas do processo.

Escolhida a alternativa, o sistema dimensionado para cada caso, sendo

determinados vrios parmetros de operao e eficincia. Por fim, ser realizado um breve

estudo econmico, com o intuito de verificar a viabilidade financeira do projeto.

1.2 A Lavanderia

A Clarc uma lavanderia industrial de mdio porte, que atende a diversos

segmentos como hotis, hospitais, indstrias, shoppings, dentre outros. O servio prestado

consiste na lavagem, secagem, dobra, acondicionamento e remessa de volta para os

clientes. No so lavadas apenas peas de roupa, mas toda a sorte de tecidos: toalhas,

lenis, cortinas, etc. O fluxograma simplificado do processo pode ser visto na Figura 1:


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A utilizao de vapor no processo d-se atravs dos equipamentos de

processamento de tecidos, que necessitam de altas temperaturas para realizar certas tarefas.

Alm da demanda de vapor existe, naturalmente, a de eletricidade. Da o interesse no

estudo da implantao de um sistema de cogerao, visando reduo de custos e o

aumento da eficincia energtica.

A planta tambm conta com um gerador estacionrio de eletricidade alimentado a

gs natural, cuja funo gerar eletricidade no horrio de pico e backup para eventuais

interrupes no fornecimento de energia pela concessionria.

1.3 Organizao do Trabalho

Este trabalho organizado em cinco captulos, nos quais so descritos a

metodologia, as premissas, o objeto de estudo, as solues propostas e os resultados

obtidos.

No Captulo 2, apresentada a cogerao de energia: breve desenvolvimento

histrico, situao atual no Brasil e no mundo, tecnologias disponveis e incentivos

disponveis para seu desenvolvimento no pas.

No Captulo 3, so apresentados os fundamentos tcnicos para a formulao terica


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2 Cogerao

O termo cogerao utilizado para designar processos cclicos de produo

simultnea de potncia mecnica ou eltrica e potncia trmica, geralmente vapor de alta

entalpia, a partir de uma mesma fonte primria de combustvel. Apesar de existirem

diversas configuraes de sistemas de cogerao, todas elas funcionam de modo

semelhante: de alguma maneira, aproveitam parte do calor que deve ser necessariamente

rejeitado para o ambiente, de acordo com a segunda lei da termodinmica, para aumentar a

eficincia total do ciclo (BALESTIERI, 2002).

A gerao de energia eltrica a partir da queima de combustveis fsseis (por

exemplo, gs natural, leo, carvo) em mquinas trmicas (por exemplo, motores de

combusto interna, turbinas) atinge eficincias da ordem de 30 a 65%. A gerao de vapor

em caldeiras alcana, por outro lado, eficincias entre 80 e 90%. Com a combinao dessesprocessos, possvel atingir eficincias globais de 75 a 90%, tornando os sistemas de

cogerao de energia altamente atrativos (CREMONEZ, 2013).

Portanto, pode-se dizer que o objetivo principal da cogerao o de buscar o

mximo aproveitamento da energia rejeitada, como calor, no processo de combusto como


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A primeira central de gerao de energia eltrica em escala comercial construda

pela Edison Illuminating Company (que mais tarde viria a se tornar General Electric) em

New York e ativada em 1882, era uma central de cogerao. Operando com o ciclo de

vapor aberto, o condensado produzido era distribudo para calefao da vizinhana

(QUINN; WHITAKER; WHITAKER, 2013).

Grande parte das centrais de cogerao no incio do sculo XX eram indstrias que

geravam eletricidade para consumo prprio e utilizavam o calor excedente paraaquecimento ou processo. Apesar das evidentes vantagens, o elevado custo de implantao,

aliado ao baixo preo dos combustveis, impossibilitou a disseminao da tecnologia.

Desta maneira, a cogerao s ganhou ateno expressiva a partir da dcada de

1980, aps os dois choques do petrleo, na dcada anterior. At aquele ponto,

combustveis baratos resultavam em tarifas de energia eltrica barata. A alta dos preos doscombustveis fsseis, aliada ao aumento das presses de rgos ambientais pelo uso mais

limpo e eficiente da gerao de energia levaram autoridades do mundo inteiro a criar

regulamentaes que impulsionaram o desenvolvimento da cogerao de energia.

A publicao do PURPA (Public Utilities Regulatory Policy Act) nos EUA, em


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operao data de 1954 e pertence indstria de celulose Vicunha Rayon Ltda., abastecida

por gs natural (ANEEL, 2015).

Das 80 plantas atualmente em operao, a maior parte (totalizando 2,3 GW)

abastecida a gs natural, seguidas pelas plantas movidas biomassa de cana de acar (1,0

GW) e licor negro (275 MW). Apesar do imenso potencial apresentado, h apenas um

projeto em construo e mais sete outorgados, totalizando apenas 26 MW de adio de

capacidade (ANEEL, 2015).A capacidade instalada total de gerao de energia eltrica de usinas abastecidas

com biomassa de cana de acar alcana 10,2 GW. Percebe-se claramente que apenas 10%

desse parque classificado como cogerao qualificada. Isso significa dizer que existe um

potencial significativo de expanso da cogerao apenas na modernizao do que j existe

em operao. Segundo estimativas da Unio das Indstrias de Cana de Acar (NICA), opotencial de gerao da bioeletricidade da cana de 177 TWh em 2023, correspondendo a

26% da demanda nacional (SOUZA, 2015).

Paralelamente, estima-se que haja um potencial de 408 projetos de cogerao na

indstria e 1.184 no setor tercirio, totalizando 5.5 GW. Estes nmeros so apenas para


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Ee: Energia da utilidade eletromecnica: energia eletromecnica lquida cedida pela

central termoeltrica, descontando da energia bruta gerada o consumo em servios

auxiliares eltricos da central (kWh/h);

Et: Energia da utilidade calor: energia trmica cedida pela central termeltrica

cogeradora no seu regime de operao mdio, descontando das energias brutas

entregues ao processo as energias de baixo potencial trmico que retornem a central

(kWh/h);Fc: Fator de Cogerao: parmetro definido em funo da potncia instalada e da

fonte da central termeltrica cogeradora, o qual aproxima-se do conceito de

eficincia exergtica;

X: Fator de Ponderao: parmetro adimensional definido em funo da potncia

instalada da fonte da central termeltrica cogeradora, obtido da relao entre aeficincia de referncia da utilidade calor e da eletromecnica, em processos de

converso para obteno em separado destas utilidades.

Os valores do Fator de Cogerao e Fator de Ponderao devem ser aplicados

segundo a seguinte tabela:


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A modalidade de Autoprodutor recebe concesso ou autorizao para produzir

energia eltrica destinada ao comrcio de toda ou parte da energia produzida, por sua contae risco, podendo, mediante autorizao da ANEEL, comercializar o excedente de energia.

O Artigo 5do decreto estabelece que empreendimentos termeltricos menores que

5 MW no necessitam de concesso ou autorizao, mas devem ser comunicados ao rgo

regulador para fins de registro.

2.3.3 Minigerao e Microgerao Distribuda

A Resoluo Normativa N 482 de 2012, da ANEEL, estabelece as bases legais

para a gerao distribuda no Brasil. So definidos os conceitos de Microgerao

Distribuda (igual ou inferior a 100 kW) e Minigerao Distribuda (superior a 100 kW e

inferior a 1 MW), ambos para fontes com base em energia hidrulica, solar, elica

biomassa ou cogerao qualificada.

No entanto, a resoluo ainda no permite a comercializao direta de energia

eltrica. Pelo contrrio: define o Sistema de Compensao de Eltrica, no qual o agente

mini ou microgerador cede gratuitamente o excedente de energia que produz para a rede

eltrica, e fica com um crdito de energia com a distribuidora para ser utilizado em at


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distribuidores de energia que participam dos leiles de compra e venda de energia eltrica,

organizados pelo governo.Por outro lado, no ACL, existe a livre negociao entre os agentes geradores,

comercializadores e consumidores, sendo a energia comercializada atravs dos Contratos

de Compra de Energia no Ambiente Livre (CCEAL). importante dizer que h uma srie

de requisitos para que um consumidor de energia possa se tornar um agente livre (ao invs

dos agentes cativos, como o caso dos consumidores residenciais).Na comercializao da modalidade de Energia Incentivada (na qual se enquadram

Pequenas Centrais Hidreltricas, Termeltricas a Biomassa, Centrais Elicas e Solares com

capacidade igual ou inferior a 30 MW e Cogerao Qualificada) h uma srie de

benefcios, como desconto nas tarifas de transmisso de eletricidade (TUST/TUSD). Os

cogeradores qualificados firmam contratos no ambiente livre na modalidade Contratos deCompra de Energia Incentivada de Cogerao Qualificada (CCEICQ) (CCEE, 2015).

Portanto, para a comercializao de energia eltrica, uma central de cogerao

qualificada de pequeno porte no pode se enquadrar como mini ou microgerador

distribudo, e sim como Energia Incentivada, tendo acesso ao ACL.


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Figura 4Fluxos de processos para os ciclos topping (a) e bottoming (b) (CREMONEZ, 2013).

Alm dos tipos de arranjos de sistemas de cogerao distintos, tambm existem

diversas estratgias de operao, cada qual com sua priorizao.

Na estratgia de paridade trmica, a prioridade o atendimento da demanda

trmica da unidade de processo, e a gerao da potncia eletromecnica tratada como


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tanto produzindo vapor quanto fornecendo calor diretamente ao processo. Tecnologias

recentes de gaseificao permitem a utilizao de combustveis slidos (o combustvelslido transformado em gs no gaseificador).

Figura 5- Esquema de cogerao ciclo Brayton (ODDONE, 2001).

Os sistemas de cogerao baseados em motores de combusto interna (seja ciclo

Otto, seja ciclo Diesel) funcionam de maneira similar aos sistemas baseados em ciclo

Brayton: os combustveis (gasosos ou lquidos) so queimados, gerando trabalho. Os gases


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Os sistemas baseados em ciclo Rankine funcionam de forma diferente. Vapor

gerado na caldeira que, dependendo da aplicao, pode queimar combustveis slidos,lquidos ou gasosos. Este vapor utilizado tanto para o acionamento de uma turbina a

vapor quanto para o fornecimento de calor til ao processo. A ordem na qual o fluxo de

vapor passa depende da deciso do projetista, que leva em conta os arranjos mencionados

anteriormente.

Figura 7Esquema de cogerao ciclo Rankine (ODDONE, 2001).


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Desenvolvimentos recentes levaram a criao de sistemas de cogerao baseados

nas clulas a combustvel. Estas so dispositivos eletroqumicos capazes de transformar aenergia armazenada no combustvel em calor e eletricidade, sem haver combusto ou

gerao de trabalho mecnico. Existem diversas configuraes de clulas de combustvel,

mas todas so abastecidas com gs hidrognio e gua. O subproduto da reao eletroltica

gua em estado de vapor.

Figura 9- Esquematizao de uma clula de combustvel (BARJA, 2006).


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em movimento rotativo. Os MCI podem tanto operar em ciclo Otto, no qual a ignio da

mistura ar-combustvel realizada atravs de centelhamento, quanto em ciclo Diesel, noqual a ignio provocada pelo aumento da presso no cilindro. Grupos geradores

baseados em MCI vo desde pequenas unidades de poucos kW at motores estacionrios

de at 20 MW.

Figura 10Esquema de funcionamento dos motores ciclo Otto (ANDREOS, 2013).


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necessidade; configurao de extrao, na qual h extrao do vapor num estgio

intermedirio; e a configurao de condensao, na qual a turbina acoplada a umcondensador, maximizando sua eficincia.

Figura 12Diferentes configuraes de turbinas a vapor (ODDONE, 2001).

As turbinas a gs so dispositivos mecnicos nos quais os gases de escape

provenientes do processo de combusto, a altas presses e temperaturas, geram potncia

mecnica ao expandirem na turbina. Existe uma ampla gama de turbinas para gerao de

energia, desde as pequenas microturbinas, da ordem de 200 kW at turbinas de gerao de


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instalao, instrumentao e inspeo so regulamentados pela Norma Regulamentadora

13, expedida pelo Ministrio do Trabalho e Emprego.Caldeiras que possuem queima prpria (conhecidas apenas como caldeiras) so

classificadas em dois tipos: flamotubulares e aquatubulares. As caldeiras flamotubulares,

de projeto mais simples, possuem diversos tubos pelos quais as chamas passam, imersos

num banho de gua. A limitao desses equipamentos a impossibilidade de gerao de

vapor superaquecido, j que toda calor adicionado ao sistema utilizado para fazer maisgua virar vapor (apesar de ser possvel superaquecer o vapor realizando queima

suplementar).


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As caldeiras de recuperao tambm podem ser consideradas aquatubulares.

Entretanto, ao invs dos tubos de gua serem envoltos pelos gases da queima na prpriacaldeira, recebem o fluxo de gases de escape provenientes do processo de combusto de

fontes externas, seja turbinas ou motores de combusto interna. Por trabalharem com

temperaturas inferiores, alcanam eficincias trmicas inferiores e seu tamanho muito

maior, comparadas com caldeiras aquatubulares convencionais.


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3 Fundamentos tericos para anlise do problema

3.1 Formulao termodinmica

De acordo com Fiomari (2004), a maneira mais usual de se determinar o

desempenho trmico de sistemas atravs da Primeira Lei da Termodinmica. Esta anlise

permite no s o desempenho energtico de cada equipamento em separado, como do

sistema trmico globalmente.

Entretanto, este mtodo tem suas limitaes, j que no leva em conta a qualidade

de utilizao da energia. Em outras palavras, no so contabilizadas as irreversibilidades de

cada processo. Desta forma, a anlise exergtica, atravs da Segunda Lei da

Termodinmica, complementa a avaliao termodinmica dos sistemas trmicos.

A anlise completa de uma planta requer a realizao de balanos de massa, energia

e exergia, definindo volumes de controle (V.C.) ao redor de cada equipamento que a

compe. Alm do mais, devem ser definidas e calculadas as eficincias de primeira e

segunda leis, complementadas por clculos de diversos parmetros de desempenho de

sistemas de cogerao de energia.

Salvo quando explicitado, considerado que todos os equipamentos estudados


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e: fluxo mssico de entrada do volume de controle (kg/s);

s: fluxo mssico de sada do volume de controle (kg/s).A primeira lei da termodinmica expressa mediante um balano de energia. A

acumulao de energia no volume de controle a diferena entre os influxos e os efluxos

de energia:

.. Q v.. W v.. m. h

g . Z m . h

g . Z ( 5 )

No caso de regime permanente, no h acumulao de energia no volume de

controle. Portanto, a equao assume a forma:

Q v.. W v.. m. h

g . Z m . h g . Z 0 ( 6 )

onde:

g: acelerao da gravidade (m/s

2

);he: entalpia especfica na entrada do volume de controle (kJ/kg);

hs: entalpia especfica na sada do volume de controle (kJ/kg);

Q v.c.: fluxo de calor ao volume de controle (kW);

Ve: velocidade do fluxo de massa na entrada do volume de controle (m/s);

V : velocidade do fluxo de massa na sada do volume de controle (m/s);


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se: entropia especfica na entrada do volume de controle (kJ/kg.K);

ss: entropia especfica na sada do volume de controle (kJ/kg.K);Sger,v.c.: entropia gerada no volume de controle (kJ/K);

Tj: temperatura superficial do volume de controle (K).

Em regime permanente, processos adiabticos obedecem a inequao ss se. Desta

forma, a gerao de entropia no volume de controle sempre positiva. Quando o processo

reversvel, ss = se e no h gerao de entropia.A exergia definida como o maior trabalho reversvel que pode ser extrado de um

sistema, sendo a diferena entre o estado termodinmico do sistema e o estado morto. O

estado morto o estado de equilbrio (mecnico, trmico, qumico, eletromagntico, etc.)

com o meio de referncia. Os termos das equaes relativos s propriedades do estado

morto esto indicados com o ndice 0. Para o presente trabalho, as condies do estadomorto adotadas so T0= 298 K e P0= 101.3 kPa.

Considerando as parcelas qumicas e fsicas da exergia, esta pode ser escrita da

seguinte forma:

ex ex ex ( 10 )


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ex r,pr xi. ex ii R. T xi.lnxii ( 14 )onde:

e x iQ: exergia qumica especfica molar padro das substncias (kJ/kmol);

R : constante universal dos gases perfeitos (8,314 kJ/kmol.K);

xi: frao molar de cada produto.

A exergia fsica especfica molar dos produtos de combusto calculada da

seguinte maneira:

ex pr ai hi h T si s Rln . i ( 15 )Onde:

ai: coeficientes estequiomtricos dos produtos;

h : entalpia especfica molar (kJ/kmol);

Pi: presso do fluxo dos produtos (kPa);

s : entropia especfica molar (kJ/kmol.K).

A exergia especfica em base mssica obtida dividindo-se a exergia especfica

molar pela massa molar do fluxo:

, , ( 16 )


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A equao do balano de exergia assume a forma:

Iv.. Q v.. (1 j ) W v.. m. ex m . ex ( 20 )onde:

v.c.: Taxa de irreversibilidade no volume de controle (kW).

Com os balanos de massa, energia, entropia e exergia definidos, possvel agora

determinar as eficincias de primeira e segunda leis.

3.1.2 Eficincias trmicas de Primeira e Segunda Leis da Termodinmica

Nos dispositivos que produzem ou consomem potncia, a eficincia de primeira lei

a relao entre a variao de entalpia do fluxo de massa no componente e o trabalho

fornecido (ou consumido). As equaes ( 21 ) e ( 22 ) demonstram a eficincia de primeira

lei para turbinas e bombas (e compressores), respectivamente:

.. ( 21 )

.. ( 22 )Analogamente, as eficincias de segunda lei para tais componentes a relao entre


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vapor: vazo mssica de vapor (kg/s);

comb: vazo mssica de combustvel (kg/s);PCIcomb: poder calorfico inferior do combustvel (kJ/kg).

De modo anlogo, a eficincia global de primeira lei a relao entre a soma do

trabalho e calor teis, com a energia fornecida pela queima do combustvel,

respectivamente (CREMONEZ, 2013):

+ . ( 27 )onde:

Wtil: trabalho lquido fornecido (kW);

Q til: calor lquido fornecido (kW).

A eficincia global de segunda lei a relao entre a soma do trabalho til com a

exergia do calor til, com a exergia contida na queima do combustvel. A exergia do calor

definida como (CREMONEZ, 2013):

1 ( 28 )onde:

T: temperatura superficial do volume de controle (K)


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REV kJ/kg ( 31 )O Fator de Utilizao de Energia(FUE) semelhante eficincia de primeira da

termodinmica. Entretanto, ao invs do trabalho til, calculado com o trabalho total:

FUE + . ( 32 )O ndice de Poupana de Energia(IPE) um ndice de comparao entre plantas

de cogerao e plantas que produzem vapor e eletricidade de forma separada. definidocomo:

IPE . +

( 33 )

onde:

term

: eficincia trmica de uma planta de potncia de referncia, com tecnologia

similar (considerado aqui como 40%);

cald: eficincia trmica de caldeiras de referncia, com tecnologia similar

(considerado aqui como 90%).

Finalmente, o ndice de Gerao de Potncia(IGP) um critrio para calcular a

eficincia da gerao de potncia de modo separado retirando a parcela do consumo de


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realizada mais adiante). O termo (O2+3,76N2) conhecido como Ar Terico, respeitando a

proporo entre os gases Nitrognio e Oxignio numa atmosfera padro. A massa molar doAr terico de 28,98 kg/kmol.

O balanceamento da equao consiste na resoluo do sistema linear cujas

incgnitas so os coeficientes estequiomtricos. Deve ser respeitada a regra de que aja a

mesma quantidade de cada elemento presente nos reagentes e nos produtos. Alguns

comentrios devem ser feitos acerca deles: O coeficiente a, relativo ao combustvel, corresponde unidade;

O coeficiente b, relativo ao Ar Terico, respeitar o balanceamento

normal quando a queima for estequiomtrica. Se houver excesso de ar, este

deve ser multiplicado pelo fator correspondente ao excesso de ar;

O coeficiente c depender da umidade presente no ar. Se o ar decombusto for considerado seco, este assume valor nulo;

O coeficiente e depende essencialmente da qualidade da combusto pois

quanto melhor, menor ser a proporo de CO produzido;

Outros coeficientes e compostos qumicos podem aparecer, como por


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3.1.5 Anlise do escoamento de lquidos

Em alguns pontos do estudo, clculos auxiliares realizados a partir do escoamentode condensado (gua retornado do processo produtivo) se mostram necessrios. Alm do

mais, clculos relativos ao funcionamento das bombas via teoria de Mquinas de Fluxo

tambm se mostram ferramentas necessrias para anlise. A seguir, uma breve descrio

das equaes utilizadas, demonstradas por Mattos e De Falco (2001).

A equao de continuidade ( 4 ) para volumes de controle em regime permanentepode ser rescrita, obtendo-se:

AV AV ( 38 )onde:

e,s: densidade do lquido de entrada, sada (kg/m3);

Ae,s: rea transversal ao escoamento na entrada, sada (m2

);Ve,s: velocidade do lquido na entrada, sada (m/s).

Em escoamentos de lquidos incompressveis, e = s e a equao se reduz

definio de vazo (Q):

Q AV AV m/s ( 39 )


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deve ser estudado; fatores como o investimento, condies de financiamento e ambiente de

negcios so igualmente importantes na hora da tomada de deciso. A referncia utilizadapara a formulao econmica o livro Curso de Contabilidade para No Contadores

(IUDCIBUS; MARION, 2011).

3.2.1 Fluxo de Caixa

Foi desenvolvido um instrumento de planejamento financeiro, chamado Fluxo de

Caixa, com o objetivo de equacionar os balanos financeiros anuais, no decorrer da vida

til do projeto. Com a informao da srie de Fluxo de Caixa, possvel, atravs de

algumas mtricas de avaliao, verificar a viabilidade do projeto.

No caso de um projeto de cogerao de energia (na modalidade de lucro real),

considerado como receita bruta a economia anual gerada pela instalao do sistema (seja

por reduo da tarifa de luz, seja por reduo da tarifa de combustvel, seja por venda de

eventuais excedentes de eletricidade). Por outro lado, as sadas de dinheiro correspondem

ao pagamento de imposto PIS/COFINS (alquota de 9,25%), Custos de Operao e

Manuteno (O&M), Juros, Imposto de Renda (alquota 34%) de e Amortizao de dvida.

Alm do mais, existe o benefcio fiscal da depreciao, que contabiliza o desgaste


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Ano 2018

Receita Bruta 605.896,27(-) PIS/COFINS 56.045,40

Receita Lquida 549.850,86

(-) O&M 50.000,00

(-) Depreciao 144.875,00

LAJIR 354.975,00

(-) Juros 105.914,61

LAIR 249.061,26

(-) Imposto de Renda 84.680,83

Lucro Lquido 164.380,43

(+) Depreciao 144.875,00

(-) Amortizao 290.974,19Fluxo de Caixa 18.281,23

Tabela 4Exemplo de sequncia do clculo do fluxo de caixa

3.2.2 Determinao do investimento de capital

A metodologia para determinao do investimento inicial a seguinte: a partir da


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Construo civil 15% CD

Imprevistos 5 a 20% ICFOutros gastos

Custo de partida da instalao 5 a 12% ICF

Tabela 5- Estrutura de determinao do investimento inicial (BEJAN; TSATSARONIS; MORAN,1996).

As determinaes dos percentuais dependem da anlise do empreendimento, o qual

tem suas caractersticas nicas. No faz sentido, por exemplo, adicionar percentuais de

terreno e construo civil, quando o projeto realizado em um local onde j exista

infraestrutura instalada (como o caso desse estudo).

3.2.3 Tcnicas de avaliao financeira

A seguir, sero demonstradas as tcnicas de avaliao financeira que seroutilizadas. No se pode dizer que uma mais importante do que a outra; elas devem ser

usadas em conjunto para uma anlise mais precisa.

3.2.3.1 Valor Presente Lquido

A tcnica chamada Valor Presente Lquido (VPL) consiste na atualizao do


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TIR a taxa de valorizao do capital investido. De modo simples, pode-se dizer que a

TIR a TMA que faz o VPL ser igual a zero: + ICF= 0 ( 44 )Este critrio estabelece que o projeto deve ser aceito se a TIR calculada maior ou

igual ao custo do capital, e rejeitado para o caso oposto.

3.2.3.3 Payback

A tcnica de Payback consiste na determinao do tempo necessrio para que o

projeto pague o investimento. O tempo de Payback calculado como o tempo necessrio

para que o montante dos fluxos de caixa somados atinja o investimento original:

FCLICF= ( 45 )

A tomada de deciso baseada no Payback realizada da seguinte forma: se oPayback maior que o tempo do projeto, deve-se recus-lo. Caso contrrio, deve ser

aceito.


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4 Apresentao do problema

4.1 Descrio da planta

A apresentao da planta, em linhas gerais, j foi realizada na introduo. Agora,

necessrio estudar o funcionamento de cada equipamento para o entendimento completo

do ciclo do vapor.

No entanto, antes de discorrer sobre os equipamentos propriamente ditos,

importante fazer um comentrio. A expanso da lavanderia se deu de forma desorganizada.

Portanto, no h informaes tcnicas de equipamentos ou plantas da unidade disponveis

para consulta. Outro problema a instrumentao precria do sistema de vapor. Tirando os

instrumentos da caldeira, no h medies em nenhum outro ponto do circuito de vapor.

Dessa forma, o mapeamento do sistema constituiu processo laborioso. Atravs de

visita ao local, foi possvel determinar os fluxos de vapor e condensado. A determinao

dos parmetros termodinmicos foi possvel combinando as informaes disponveis na

instrumentao, caractersticas tcnicas dos equipamentos (pesquisadas) e consultas ao

funcionrio que opera o sistema de vapor (que, por experincia, forneceu algumas

informaes importantes).


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4.1.1 Caldeira

A funo da caldeira, como descrito anteriormente, transformar a gua(condensado) que retorna do processo em vapor. Para realizar tal tarefa, queima gs natural

em seu interior, transferindo o calor necessrio ao processo de mudana de fase. A imagem

da caldeira instalada pode ser vista na Figura 18:


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Presso de trabalho: 8 kgf/cm2;

Dimetro da sada de vapor: 3; Nmero de unidades: 1.

A ttulo de recordao, por ser uma caldeira flamotubular, esta capaz de produzir

apenas vapor saturado. A presso de trabalho de 8 kgf/cm 2foi estabelecida iterativamente

pelo operador, dado que presses inferiores no so capazes de alimentar o sistema de

vapor de modo satisfatrio. Alm do mais, a caldeira no opera em regime permanente,tanto por recomendao do fabricante, quanto por filosofia de operao. Essa questo ser

discutida posteriormente.

4.1.2 Lavadoras

As lavadoras so equipamentos responsveis por realizar a lavagem dos tecidos.

Esses equipamentos possuem demanda de eletricidade, vapor e ar comprimido.

Naturalmente, o consumo de eletricidade est ligado aos acionamentos de motores

eltricos, j que o processo de lavagem requer a movimentao do tambor de lavagem. O

ar comprimido necessrio nos sistemas de frenagem do tambor de lavagem.

J o vapor consumido para esquentar a gua utilizada na lavagem. Essa gua


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Figura 19Fluxograma do tecido

Um desses equipamentos pode ser visto na Figura 20:


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Dimetro da vlvula de dreno: 8;

Volume de gua no nvel alto: 720 l; Volume de gua no nvel baixo: 600 l;

Consumo de vapor: 108 kg/h;

Presso mnima de vapor: 4kgf/cm2;

Potncia do motor eltrico: 25 CV.

Alm do mais, as seguintes informaes foram obtidas na planta: Temperatura da gua de lavagem: 80C;

Ciclo mdio de operao: 50 minutos;

Ciclo mdio de carga/descarga: 10 minutos;

Nmero de unidades: 6

A quantidade de vapor consumido pela lavadora regulada da seguinte maneira:um termostato no cesto de lavagem fecha a vlvula de vapor quando a temperatura da gua

de lavagem desejada atingida. Logo, como a presso disponvel de vapor superior ao

mnimo recomendado, a lavadora consome menos vapor que o consumo nominal.

Outra informao relevante, disponibilizada pelo operador do sistema, que o


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Figura 21Secadores Rotativos Sitec SS-100 TT

As especificaes do equipamento esto disponveis no stio do fabricante (SITEC,

2015):

Fabricante: Sitec;

Modelo: SS-100 TT;

Capacidade de carga: 100 kg;


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4.1.4 Calandras

Calandras so equipamentos compostos por uma sequncia de rolos rotativos, nosquais os tecidos passam e so alisados. As calandras tambm podem secar roupas, mas a

produtividade reduz significativamente se utilizadas dessa forma.

Nas calandras, o vapor admitido circula por um ou mais cilindros, esquentando-os.

Nesse processo, o vapor condensado e retorna ao sistema de vapor. Diferentemente de

alguns modelos de ferros de passar roupa domsticos, as calandras no sopram vapor

diretamente no tecido; apenas o utilizam para esquentar seus rolos. Uma das calandras

pode ser vista na Figura 22:


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Dimetro da entrada de vapor: 1;

Dimetro da sada de condensado: 1/2; Potncia total dos motores: 1 5/6 kW;

Nmero de rolos: 1

Dimetro do rolo: 16;

Comprimento do rolo: 120.

Alm do mais, as seguintes informaes foram obtidas na planta: Temperatura de sada do condensado: 95 C;

Ciclo de operao: contnua;

Nmero de unidades: 3

Segundo o operador, as calandras operam continuamente, pois o tempo que estes

equipamentos demorar para chegar no regime de operao a partir do repouso inviabilizaessa operao.

4.1.5 Bomba

A bomba o equipamento responsvel pela circulao do condensado no sistema,

elevando a presso do mesmo As bombas utilizadas em sistemas de vapor esto


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As especificaes tcnicas do equipamento instalado na planta esto disponveis no

catlogo do fabricante (THEBE, 2015): Fabricante: Thebe;

Modelo: Centrfuga Multiestgio P-15/3 KN;

Nmero de estgios: 3;

Potncia: 7,5 CV;

Rotao: 3500 rpm; Dimetro de suco: 1 1/2;

Dimetro de descarga: 1 1/2;

Temperatura mxima do fluido: 130C;

Vazo mxima: 18 m3/h;

Altura manomtrica na vazo mxima: 55 mc..; Altura manomtrica mxima: 110 mc...

4.1.6 Tanque de condensado

O tanque de condensado o reservatrio que recebe os fluxos de condensado

provenientes dos secadores e das calandras Por armazenar lquidos cuja temperatura


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A segunda caracterstica diz respeito ao fato de que no tanque de condensado que

adicionada a quantidade mssica de gua de abastecimento equivalente ao consumo devapor das lavadeiras (o assunto ser abordado mais a fundo posteriormente).

Como o tanque foi comprado de segunda mo e foi feito sob medida para o dono

anterior, as caractersticas tcnicas do mesmo no esto disponveis. Todas as informaes

a respeito do equipamento foram coletadas na planta:

Capacidade: 1000 l;

Dimenses (altura x largura x profundidade): 1 m x 1 m x 1 m;

Volume mximo de operao: 1000 l;

Volume mnimo de operao: 100 l;

Altura relativa do tanque: 5m;

Isolamento: L mineral, 50mm de espessura; Vazo de enchimento: 0,3385 kg/s.

importante frisar que o tanque se encontra elevado em relao a todo o resto da

planta, j que isso causa uma diferena significativa na presso disponvel na bomba.

4.1.7 Gerador


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As caractersticas tcnicas do mesmo esto disponveis para consulta no stio do

fabricante (CHP BRASIL, 2015):

Fabricante: CHP Brasil;

Modelo: CHP 230 UGN;

Motor: MB447LAN20;

Potncia Standby: 184 kW;

Potncia Prime: 165 kW; Consumo Standby: 53 Nm3/h;

Consumo Prime: 48 Nm3/h;

PCI de referncia: 8.358 kcal/m3.

O regime de operao standby corresponde ao acionamento de emergncia do

gerador. J o regimeprimecorresponde operao em regime permanente.

4.2 Regime de operao do sistema

Como j foi dito anteriormente, a lavanderia opera num regime contnuo, j que a

demanda da maioria dos seus clientes tambm contnua. Desta forma o gerenciamento da

utilizao de cada equipamento de forma a otimizar a utilizao da planta de extrema


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tempo, a gua de alimentao ativada, enchendo o tanque. Quando o tanque atinge seu

volume mximo, uma boia desativa a gua de alimentao, e o tanque comea a esvaziar.

Quando o tanque chega ao seu volume mnimo, outra boia ativa a gua de alimentao

novamente, completando o ciclo.

Como a vazo de sada do tanque de condensado sempre constante, o tanque de

condensado configura operao em regime transiente (dado que h variao temporal no

fluxo de massa do mesmo). Alm do mais, como a temperatura do fluido presente no

tanque varia de acordo com os influxos e efluxos do mesmo, e do volume instantneo

contido no mesmo, a temperatura do fluido na sada do tanque varivel.

Assim, apesar da caldeira receber sempre uma quantidade fixa de fluido, o recebe

com temperatura varivel. Desta forma, a caldeira tambm opera em regime transiente. O

operador da planta, ento, programou o regime de funcionamento do queimador da caldeira

de forma sincronizada operao do tanque de condensado, de forma que o vapor

produzido pela caldeira tenha sempre as mesmas caractersticas.

J o gerador possui um regime diferenciado de operao. Como a lavanderia

encontra-se no regime horossazonal de tarifa de energia eltrica (que ser melhor detalhado

di t ) h d h i d i t if t d f i ifi ti A i


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Alm do mais, a eficincia do equipamento (equip) pode ser determinada pela razo

entre a potncia consumida no equipamento e a potncia consumida em vapor:quip ( 47 )

4.2.1.1 Lavadoras

De modo a facilitar o estudo, o grupo de lavadoras ser tratado como um nico

equipamento, equivalente operao simultnea todas as lavadoras juntas. Como j se viu,

pode-se considerar que em qualquer momento h cinco lavadoras operando

simultaneamente. Alm do mais, eventuais flutuaes no consumo de vapor no sero

consideradas. As mesmas premissas sero adotadas tambm no estudo dos secadores e das

calandras.

Alm do mais, importante dizer que todas as especificaes de consumo de vapor

dos equipamentos da lavanderia so para vapor saturado. Como o vapor disponibilizado

pela caldeira dessa natureza, a determinao dos consumos reais de cada equipamento

disponibilizada.

Com as informaes de consumo de vapor e presso nominal de vapor, calcula-se a

potncia de apor atra s da frm la ( 46 ):


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4.2.1.3 Calandras

A potncia de vapor necessria nas calandras determinada dividindo a potncia do

boiler pela eficincia do mesmo:

Pvap= 3 x 55 kW / 80% = 206 kW

O consume de vapor, ento, pode ser determinado pela frmula ( 46 ):

mvap= 206 kW / 2768 kJ/kg = 0,0744 kg/s

4.2.1.4 Tanque de CondensadoComo j foi dito anteriormente, o tanque de condensado possui operao em

regime transiente. Logo, a descrio precisa desse regime necessria para entender a

operao do sistema de modo satisfatrio.

J que a vazo de sada do tanque constante, a estratgia adotada para descrio

do problema a determinao de uma equao diferencial que descreva a variao daentalpia do fluxo de sada em funo do tempo. Foram adotadas as hipteses

simplificadoras de que a temperatura do fluido constante em todo volume do tanque e

que a temperatura de sada do fluido igual a do fluido no tanque.

A integrao da equao ( 3 ) fornece a equao da variao temporal da massa de


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ht h k[.Vi m m. t]

( 52 )

onde k a constante de integrao a ser determinada.Como na equao h duas incgnitas a serem determinadas, necessrio fazer um

clculo iterativo para a resoluo da mesma. Alm do mais, para o perodo transiente ser

descrito completamente, necessrio dividi-lo em duas partes (enchimento e

esvaziamento), dado que os parmetros iniciais e de vazo da equao so diferentes.

O clculo iterativo foi realizado da seguinte maneira: como valor inicial de entalpiade sada, foi utilizado a entalpia de sada do tanque de condensado se este operasse em

regime permanente (o que ocorreria se a vazo da gua de alimentao fosse exatamente a

mesma da vazo do vapor consumido nas lavadoras). Esta foi calculada realizando a mdia

ponderada das entalpias dos fluxos provenientes dos secadores, das calandras e da gua de

alimentao:hi= (0,1461 kg/s x 335 kJ/kg + 0,0744 kg/s x 398 kJ/kg + 0,1484 kg/s x 105 kJ/kg)/

. (0,1461 kg/s + 0,0744 kg/s + 0,1484 kg/s) = 254,9567 kJ/kg

A determinao dos tempos de enchimento e esvaziamento foi realizada pela

aplicao da equao ( 48 ):


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Tabela 6Resultado do clculo iterativo

Foi decidido que as iteraes seriam feitas at que se obtivesse preciso de quatrocasas decimais na entalpia. Como se pode ver, apenas trs iteraes foram necessrias para

a realizao do clculo.

De posse das constantes, foi possvel calcular os valores de temperatura e entalpia

mdias do ciclo, e compar-los com o caso hipottico de regime em operao permanente

(previamente utilizados como chute inicial do clculo iterativo). O comparativo pode serobservado na Tabela 7:

Regime Vazo (kg/s) Entalpia de Sada (kJ/kg) Temperatura de Sada (C)

Permanente0,3689

254,9567 60,9089

Transiente 255,0855 60,8840Tabela 7Comparativo entre os regimes permanente e transiente

Os erros relativos na comparao da entalpia e temperatura, para os dois casos,

foram de 0,05% e 0,04%, respectivamente, evidenciando o resultado satisfatrio da

modelagem. O grfico das variaes temporais de entalpia e temperatura pode ser visto na


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entrada de condensado. Por outro lado, no ciclo de esvaziamento a entalpia do contedo do

tanque aumenta suavemente.

Alm da variao da entalpia de sada do tanque, a presso hidrosttica disponvel

na suco da bomba varia conforme o volume de fluido disponvel no tanque de

condensado. Desta maneira, necessrio estudar o quo significativa esta variao no

desempenho do ciclo.

O volume instantneo (V(t)) do tanque pode ser escrito como:

Vt A.Zt ( 53 )onde:

A: rea transversal do tanque (m2);

Z(t): nvel de lquido (m).

Como o volume a razo entre a massa e a densidade do lquido, ao substituir a

equao ( 48 ) na equao ( 53 ) obtm-se a equao da variao do nvel de lquido no

tanque:

Zt .+ . ( 54 )Integrando a equao, possvel calcular o nvel mdio de lquido no tanque. A


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A variao de entre os nveis mnimo e mximo provoca uma diferena mxima de

0,9 m na altura manomtrica do sistema. Em termos de presso, esse valor de 8,82 kPa. A

esse ponto ainda no foi calculado a presso de sada da bomba. Entretanto, este nmero

pode ser comparado com a presso de sada de vapor da caldeira, que de 785 kPa. A

flutuao mxima percentual, portanto, de 1,12%.

Como a vazo de sada do tanque de condensado constante (o que varivel a

entalpia), foi decidido que no era necessrio avaliar a operao da bomba e da caldeira em

regime transiente (mesmo porque no foram disponibilizadas informaes do regime de

combusto da caldeira para tal). Assim, estes equipamentos sero analisados como se

operassem em regime permanente, utilizando os valores de entalpia de sada e nvel mdio

do tanque de condensado.

Por fim, as presses dos fluxos de entrada de condensado e gua de alimentao

foram calculados com o auxlio da frmula ( 40 ). O resultado pode ser visualizado na

Tabela 8:

Fluxo Vazo (kg/s)Dimetro da tubulao

(pol )Presso do fluxo (kPa)


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,

,

, ,%A partir da anlise conjunta do resultado de eficincia calculada da bomba com o

grfico Vazo x Altura Manomtrica Total (consultvel no Apndice A) possvel notar

que a bomba instalada funciona longe do seu ponto de operao ideal, o que ocorreria para

vazes muito superiores ( entre 12 e 16 m3/h).

Finalmente, possvel calcular a entalpia de sada da bomba, utilizando a equao (

22 ):

h 255 , ,%

, /

4.2.1.6 Caldeira

Como as propriedades de sada do vapor (saturado, 785 kPa) e entrada da gua (789

kPa, 258 kJ/kg) so conhecidas, basta calcular a eficincia da caldeira e seu consumo de

combustvel. O PCI do combustvel fornecido de 9400 kcal/m3 (CEG, 2015). Logo,

aplicando-se a equao ( 25 ), tanto para os parmetros do ciclo quanto para os parmetros

nominais da caldeira, obtm-se os resultados da Tabela 9:


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4.2.1.6.1 Estudo da combusto

Para o clculo da exergia do combustvel, necessrio que se conhea a sua

composio qumica. No entanto, esta no uma tarefa simples, visto que o mercado de

gs natural vende o gs no por composio, mas por poder calorfico (a uniformizao da

composio molecular do gs uma tarefa praticamente impossvel, visto que varia de

acordo com a fonte de produo do mesmo).

No intuito de padronizar o fornecimento de combustvel, a Agncia Nacional do

Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis (ANP) disponibiliza os valores possveis de

composio do gs natural, na Resoluo ANP N16 de 2008. Tais especificaes podem

ser vistas na Tabela 10, para o gs fornecido na Regio Sudeste:

Caracterstica Limite

Poder Calorfico Superior (kJ/m3) 35.000 a 43.000

Metano, mnimo (%mol) 85,0

Etano, mximo (%mol) 12,0

Propano, mximo (%mol) 6,0

Butano e mais pesados, mximo (%mol) 3,0


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A tabela a seguir demonstra a composio do combustvel obtido. As informaes

das molculas foram retiradas de (MORAN; SHAPIRO, 2000):

Molcula PCI (kJ/m3) Massa Molar (kg/kmol) Quantidade (%mol)

CH4 37.667 16,043 0,8501

C2H6 66.433 30,07 0,1094

N2 0 28,013 0,0405

Tabela 11- Composio qumica do combustvel

Multiplicando-se a massa molar pela frao molar de cada componente do

combustvel obtm-se a massa molar de 18,06 kg/kmol.

Antes de se determinar a estequiometria da reao de combusto, mais uma

informao necessria. Na prtica, nenhuma caldeira consegue realizar a combusto na

proporo estequiomtrica. Portanto, utilizado excesso de ar para que o combustvel seja

completamente queimado. O percentual usual de excesso de ar em caldeiras flamotubulares

eficientes da ordem de 15%. Alm do mais, a temperatura dos gases de escape da ordem

de 60Cacima da temperatura do vapor fornecido (STEAMMASTER, 2012).


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4.2.1.6.2 Clculo da Exergia

Como, atravs do acesso s tabelas termodinmicas, possvel determinar o estado

termodinmico de todos os pontos do ciclo, tambm possvel calcular a exergia dos

mesmos, atravs da frmula ( 12 ). Os resultados para esses clculos esto demonstrados a

seguir, na Tabela XXX.

Alm do mais, com as informaes disponveis possvel, enfim, calcular a exergia

no s do combustvel (necessrio para o clculo das eficincias de segunda lei), como dos

gases de escape.

A aplicao da equao ( 14 ) resulta no clculo da exergia do combustvel. O

resultado pode ser visto na Tabela 12, junto com outros dados necessrios para o clculo,

retirados de (MORAN; SHAPIRO, 2000):

SubstnciaExergia qumica

especfica (kJ/kmol)

Fraes

Molares

CH4 831650 0,0685

C2H6 1495840 0,0088

N2 720 0,7295


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Com todas estas informaes disponveis, possvel descrever o circuito de vapor

de forma completa.

4.2.2 Ponto de operao do sistema

Como j foi estudado anteriormente, parte do sistema opera em regime transiente.

Entretanto, para clarificar a anlise do mesmo, sero apresentadas as informaes relativas

operao hipottica em regime permanente do mesmo (as informaes de entalpia e nvel

mdio do tanque de condensado sero utilizadas). O esquema do mesmo pode ser visto naFigura 28:


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PontoVazo

Mssica(kg/h)

Presso(kPa)

Temperatura(C)

Entalpia(kJ/kg)

Entropia(kJ/kg.K)

Exergia(kJ/kg)

1 1328 785 170 2768 6,6682 7852 534 785 170 2768 6,6682 7853 526 785 170 2768 6,6682 7854 268 785 170 2768 6,6682 7855 526 104 80 335 1,0754 206 268 102 95 398 1,2502 317 534 104 25 105 0,3673 0

8 1328 156 61 255 0,8426 8,59 1328 789 62 258 0,8500 9,0Tabela 14Propriedades termodinmicas do ciclo de vapor

Com as caractersticas de cada ponto do sistema conhecidas, possvel calcular os

parmetros de desempenho do mesmo. Os resultados desses clculos podem ser

observados na tabela a seguir:

Eficincias

Equipamento I(%) II(%)

Caldeira 82,51 25,72

B b 36 56 6 68


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demanda contratada de potncia (kW) e consumo de energia (kWh). No caso, a demanda

contratada de potncia de 80 kW.

A demanda contratada de potncia conhecida como Demanda TUSD. Caso a

mesma seja ultrapassada, cobrado um valor relativo ao pico mensal, a Demanda de

ultrapassagem TUSD.

Como a tarifa do tipo Horossazonal A4, existem dois tipos de horrio de

tarifao: os horrios de Ponta e Fora Ponta. Cada horrio possui, ento, as tarifas TUSD e

TE. O horrio de ponta, como j mencionado, corresponde ao perodo das 18 s 21h, nos

dias teis. Alm do mais, por conta da situao hidrolgica crtica, atualmente est sendo

cobrado o chamado Adicional Bandeira Vermelha, para os dois horrios.

A conta de luz completada com a tarifa fixa de Contribuio de Iluminao

Pblica. A conta de luz do ms de janeiro de 2015 foi disponibilizada para anlise,

podendo ser vista na Tabela 16:

Descrio QuantidadeValor Unitrio

(R$)Valor

Total (R$)Demanda TUSD (kW) 95,3 18,06200387 1.721,31

Demanda ultrapassagem TUSD (kW) 15 3 36 12400777 552 70


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Consumo Fora Ponta TUSD (kWh) 32.842 0,16082520 5.281,82

Consumo Fora Ponta TE (kWh) 32.842 0,29926917 9.828,60

Adicional Bandeira Vermelha Ponta (kWh) 77 0,08373932 6,45Adicional Bandeira Vermelha Fora Ponta (kWh) 32.842 0,08373932 2.750,17

Contribuio de Iluminao Pblica 1 120,91 120,91

Total 19.868,62Tabela 17Conta de luzabril de 2015

Dois fatos podem ser observados: o primeiro a clara reduo do consumo no

horrio de ponta, j que o gerador comeou a operar. O segundo o aumento da conta deluz, a despeito da reduo do consumo.

Em conversa com o operador da lavanderia, foi revelado que o consumo de

eletricidade do ms de janeiro o que melhor descreve o consumo mdio da lavanderia, j

que em abril houve uma pequena reduo no movimento e, em consequncia, no

faturamento. Alm do mais, no h como saber qual foi o consumo total em horrio deponta, j que esta informao tambm no est disponvel para o gerador.

Por isso, foi decidido que, para fins de estudo, o consumo do ms de janeiro foi

escolhido como consumo mdio anual da planta. Alm do mais, com o reajuste recente,

no faz sentido utilizar as tarifas referentes ao ms de janeiro. Novamente, para fins de


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49,0 kW, respectivamente. As tarifas mdias de ponta e fora ponta so 1,53 e 0,57

R$/kWh, respectivamente.

Nota-se que a tarifa ponta praticamente o triplo da tarifa fora ponta. Esta uma

evidncia forte de que a operao do grupo gerador pode trazer economias lavanderia.

Portanto, agora ser estudada a operao do gerador.

4.3.1 Operao do Gerador

Para determinao do consumo de gs (e o consequente custo da gerao deeletricidade do mesmo), foram tomados dois cenrios: o cenrio atual, no qual o

equipamento s ativado em horrio de ponta; e o cenrio hipottico no qual o

equipamento opera em ciclo constante.

Para calcular o consumo mensal de gs natural, foi necessrio estabelecer o

consumo especfico do motor. Esta informao s est disponvel para dois pontos nacurva de operao do motor (e como consumo especfico aumenta conforme a rotao do

mesmo diminui), a seguinte premissa foi adotada: j que a potncia mdia

aproximadamente 3 vezes menor que a potncia prime, o consumo especfico do motor no

regime necessrio ao atendimento s necessidades da lavanderia 20% maior ao consumo


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RegimePotncia

(kW)

Consumo especfico PCI

fabricante (m3/s)

Consumo especfico PCI

CEG (m3/s)

Lavanderia Ponta 49,0 0,0060 0,0053

Lavanderia Contnuo 51,9 0.0062 0,0055

Tabela 20Consumo especfico corrigido de gs natural

Finalmente, para cada regime de operao, foi calculado o consumo de gs natural

mensal. O resultado pode ser visto na Tabela 21:

Regime Consumo mensal de gs natural (m3)

Lavanderia Ponta 1210

Lavanderia Contnuo 13515

Tabela 21Consumo mensal de gs natural

Com as informaes do consumo de gs natural do moto gerador e da caldeira,

possvel agora determinar o consumo total de gs natural da planta, e consequentemente o

valor gasto com sua compra. Infelizmente, a conta de gs no foi disponibilizada para

anlise e comparao.


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600.001 - 1.500.000 1,2345 864.150,001.500.001 - 3.000.000 1,2212 1.831.800,00

Acima de 3.000.000 1,1760Tabela 22Tarifa industrial de gs natural

De posse da tarifa de gs natural e dos consumos mensais da caldeira e do moto

gerador, possvel calcular o custo mensal de gs natural. Alm do mais, possvel

calcular a proporo entre o consumo dos dois equipamentos. O resultado pode ser visto na

Tabela 23:

Regime

Consumomensal

gerador

(m3)

Consumomensal

caldeira

(m3)

Consumototal

lavanderia

(m3)

Custo total

(R$)

Tarifa

mdia

(R$/m3)

Relaomotor

caldeira

(%)

Ponta 1.21076.582

77.792 132.371,08 1,70 1,58

C 13 515 90 097 151 767 51 1 68 19 23


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Modalidade Custo (R$/kWh)

Tarifa Mdia Ponta 1,53

Tarifa Mdia Fora Ponta 0,57

Custo da gerao de vapor 0,17

Custo da gerao de eletricidade 0,60

Tabela 24Tarifas mdias e custos de gerao

A anlise dos resultados demonstra que realmente vantagem a produo de

energia no horrio de ponta, conseguindo-se a economia expressiva de 0,93 R$ / kWh.

Com relao gerao em tempo integral, compensa mais compra energia da distribuidora.

Mesmo assim a diferena bem pequena, de 0,03 R$ / kWh.

Em um cenrio futuro onde a tarifa de energia continuar aumentando numa

proporo superior a tarifa de gs, existe a possibilidade da operao do gerador em tempo

integral se tornar economicamente vivel.


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5 Projeto do sistema de cogerao

5.1 Proposta da soluo de cogeraoAgora que as condies de operao do sistema de vapor e acionamento do gerador

so conhecidas, alm das condies econmicas, possvel discorrer acerca da soluo de

cogerao mais adequada ao sistema.

Inicialmente, pode-se propor uma soluo baseada no aproveitamento das

instalaes j existentes: em outras palavras, projetar um sistema de gerao de vapor/gua quente baseado na recuperao de calor do grupo moto gerador.

Supondo que o mesmo tenha uma eficincia da ordem de 30%, baseado na potncia

standby, calcula-se a potncia mxima disponvel para recuperao de calor: 613 kW.

facilmente perceptvel que esta potncia no suficiente para atendimento da demanda de

vapor do sistema (1021 kW). Alm do mais, nem toda essa potncia passvel detransformao em potncia de vapor, por diversos motivos:

Existem perdas de radiao no motor;

Existe uma temperatura mnima de sada dos gases do recuperador de calor

(que deve ser maior do que a temperatura do vapor produzido);


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Comparando-se este valor com a baixa demanda de potncia da planta (mdia de

51,9 kW, pico de 95,2 kW), evidente que estas solues no se encaixam no perfil

desejado. Alm do mais, o custo de tais equipamentos da ordem de milhes de reais,

tornando o investimento inicial elevadssimo.

H mais um problema: caldeiras de recuperao so equipamentos de grande

volume. No h espao disponvel no terreno para instalao de tal equipamento, to pouco

a possibilidade de aquisio de terrenos anexos (a vizinhana completamente ocupada

por outros estabelecimentos). Logo, esse conjunto de fatores argumentam pela

inviabilidade de tal soluo.

Comparando a REV calculada de 5,08% com a Tabela 2, possvel verificar que a

soluo mais adequada para um sistema com tais caractersticas baseada em ciclo a vapor

com tecnologia de contrapresso. Apesar do limite mnimo recomendado ser de 0,10 esta

a soluo cuja razo a mais prxima deste sistema. Portanto, move-se agora para a

discusso acerca da instalao de tal sistema.

O primeiro ponto a necessidade da produo de vapor superaquecido para

alimentao da turbina a vapor. A alimentao de tal equipamento com vapor saturado

i d d d d d d d t i d


80/117

consumo) de vapor, a gua de alimentao pode ser direcionada para um trocador de calor,

sendo esquentada at a temperatura desejada, pelo fluxo de vapor do sistema.

Alm da vantagem do fechamento do ciclo de vapor, esta alternativa possibilita a

operao do sistema de cogerao em regime permanente, ao invs do regime transiente no

qual opera o sistema atual.

possvel que o consumo de vapor da planta no seja suficiente para condensar

todo o vapor produzido no ciclo. Desta forma, ser necessria a instalao de trocadores de

calor para realizar a condensao do excedente de vapor. Como existe o fluxo de gua fria

de descarte da lavagem (e este fluxo bastante superior ao fluxo de descarte de gua

quente), este pode ser utilizado para troca de calor em tais dispositivos.

O arranjo do sistema dar-se- da seguinte maneira: a caldeira produzir vapor

superaquecido, que ser direcionado para a turbina a vapor. A turbina realizar a expanso

do mesmo, at a presso de 8 kgf/cm2, que a presso necessria nos processos. Aps a

condensao nos processos, o lquido ser bombeado novamente para a caldeira.

Foi decidida a manuteno do tanque de condensado, para manter a inrcia trmica

do sistema. Entretanto, este vai operar agora em regime permanente, num nvel pr-

t b l id


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Caso 3: expanso de 50% das demandas de vapor e eletricidade da

lavanderia, com produo de excedente de eletricidade para

comercializao;

Caso 4: expanso de 100% das demandas de vapor e eletricidade da

lavanderia, com produo de excedente de eletricidade para

comercializao.

Por fim, como o atendimento da demanda de vapor a prioridade, o sistema ser

projetado no arranjo topping(j que os processos que utilizam vapor se encontram aps a

turbina) em paridade trmica.

O esquema proposto para o sistema de cogerao pode ser visto na Figura 30:


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O fluxo de vapor proveniente da sada da turbina ser dividido em quatro fluxos: o

fluxo 3 alimentar o condensador de processo, o fluxo 4 os secadores, o fluxo 5 as

calandras e o fluxo 6 o primeiro condensador de excesso. O fluxo 10, proveniente do

primeiro condensador de excesso alimentar o segundo condensador de excesso.

A seguir, ser realizado o estudo de cada equipamento do sistema.

5.2 Anlise individual dos equipamentos

5.2.1 Turbina a vapor

Como j foi dito anteriormente no Captulo 2, turbinas a vapor so fabricadas desde

tamanhos de poucos kW at centenas de MW. A tecnologia utilizada h mais de cem

anos, e no h muitos desafios tecnolgicos para sua fabricao. Portanto, h diversos

fornecedores tanto no mercado nacional quanto no internacional.

Apesar de estes equipamentos terem a possibilidade de serem fabricados sobre

medida, esta opo encarece muito o produto. Portanto, optou-se por procurar no mercado

fornecedores que possuam produtos de prateleira cujas especificaes atendam aos

requisitos estabelecidos.

Pelos casos de estudo determinados no captulo anterior procuraram se dessa


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Aps a pr-seleo destes equipamentos, tentou-se contato com os dois

fornecedores nacionais, NG e TGM, via e-mail e telefone, na tentativa da obteno de

informaes tcnicas mais apuradas para seleo dos equipamentos. Infelizmente,

nenhuma das empresas se mostrou disposta a colaborar com este projeto, no sendo

disponibilizadas as informaes requeridas.

No foi feita nenhuma tentativa de contato com fornecedores internacionais. As

turbinas Dresser Rand e Siemens no possuem mais informaes disponveis para que sua

seleo seja realizada de modo adequado.

Por outro lado, para a turbina Elliott, tanto o algoritmo de seleo do fabricante

quanto s tabelas e grficos de desempenho do equipamento esto disponveis na literatura

(BLOCH; SINGH, 2000). Alm do mais, o preo de venda do equipamento facilmente

encontrado na internet e o prprio catlogo do fabricante contm outras informaes

importantes (ELLIOTT, 2013).

Portanto, por fora das limitaes impostas pela falta de informao disponvel dos

equipamentos de outros fornecedores, optou-se por escolher a turbina Elliott para

implantao neste projeto. As dimenses do equipamento podem ser vistas na Figura 31:


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Figura 32Montagem parcial da turbina PYR (ELLIOTT, 2013).

O fabricante vende as turbinas da srie YR tanto em montagens completas, j com

geradores acoplados, quanto apenas as turbinas (para aplicaes onde potncia mecnica

ao invs de eltrica necessria). A seguir, ser descrito o algoritmo do fabricante para

seleo do equipamento.

Basicamente o algoritmo determina a vazo de vapor necessria para a

l l i d dif


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Passo 4: Calcular o superaquecimento, que corresponde a diferena entre a

temperatura de admisso da turbina e a temperatura do vapor saturado na

mesma presso;

Passo 5: Determinar o fator de correo de superaquecimento (SCF) atravs

do Grfico 3;

Passo 6: Clculo do consumo especfico de vapor corrigido (CSR) atravs

da frmula:

CSR B x + (kg/kWh) ( 58 ) Passo 7: Determinao do fluxo de vapor atravs da frmula:

m CSR x Pu (kg/h) ( 59 )O critrio utilizado para determinao da qualidade do vapor disponvel para a

turbina foi o seguinte: utilizou-se o algoritmo recursivamente, at que se obtivesse um parordenado de presso e temperatura tal que a eficincia isentrpica da turbina se

aproximasse da eficincia termodinmica da mesma. A eficincia isentrpica (isen)

calculada pela seguinte frmula:

( 60 )

T bi C 1 C 2 C 3 C 4


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Turbina Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4Demanda Eltrica da Planta de Vapor (kW) 49 49 74 98Potncia Eltrica (kW) 58 100 100 135Eficincia Caixa de Reduo e Gerador 90% 90% 90% 90%Potncia Mecnica (kW) 64 111 111 150Pentrada(kPa) 4000 4000 4000 4000Tentrada(C) 320 320 320 320hentrada(kJ/kg) 3016 3016 3016 3016Psada(kPa) 785 785 785 785Tsada(C) 180 180 180 180

hsada(kJ/kg) 2793 2793 27

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Estudo Da Viabilidade de Implantação de Um Sistema de Cogeração de Energia Em Uma Lavanderia Industrial - 2015