ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-MN19
ANALISE DE UM SISTEMA DE COGERAÇÃO OPERANDO EM CICLO ABERTO E FECHADO
UTILIZANDO EQUAÇÕES DE ESTADO GENERALIZADAS DE LEE AND KESLER EM
PYTHON
Rafael S. de Lima, Marcos A. S. Lourenço, Emanuel R. Woiski e Cassio R. M. Maia
UNESP, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Departamento de Engenharia Mecânica
Av. Brasil, 56, Bairro Centro, Caixa Postal 31, CEP 15385-000, Ilha Solteira, SP
E-mail para correspondência: [email protected]
1. Introdução
Uma das alternativas para suprir o déficit de eletricidade, gerado pelo aumento do consumo de energia
acima da capacidade do setor publico e pela falta de água nos reservatórios das hidrelétricas, foi o incentivo
ao aumento da geração de energia através da cogeração. Apesar do incentivo do governo na utilização do gás
natural como combustível nas centrais termelétricas, não houve uma utilização em massa deste devido
principalmente ao seu alto custo. Deve-se salientar que grande parte das usinas termelétricas operando com
gás natural foram projetadas para operar em ciclo combinado, embora, de inicio, estejam sendo utilizadas em
ciclo aberto mesmo sabendo do grande desperdício de energia nesta operação. Isto serviu de motivação na
construção do presente trabalho, onde são realizados estudos numa planta simplificada de uma termelétrica a
gás natural real operando em ciclo a gás aberto, e depois operando em ciclo combinado, utilizando caldeiras
de recuperação, turbinas a vapor e demais acessórios. Para o calculo das propriedades termodinâmicas
necessárias foi utilizada a equação de estado generalizada de Lee and Kesler. Deve-se acrescentar que os
resultados foram determinados utilizando-se python, uma linguagem de programação de altíssimo nível, de
código aberto de multiplataforma, sendo, por este motivo de fácil acesso, com sintaxe concisa e de
entendimento relativamente fácil, além da vantagem do acesso a inúmeros módulos previamente compilados
em linguagens de baixo nível.
2. Metodologia
A analise de uma planta deve ser realizada através de balanços de massa, energia e exergia, definindo as
eficiências pela primeira e segunda lei da termodinâmica, bem como as irreversibilidades considerando como
volumes de controle cada um dos equipamentos que a compõem. Para processos de regime permanente
desconsiderando as variações de energia cinética e potencial, tem-se as seguintes equações de balanço de
massa, energia e exergia:
.
n
.
n
∑ me − ∑ m s = 0
i =1
n
.
.
∑ QVC − mVC +
i =1
n
⎛
.
i
⎝
.
n
.
∑ m e .he −
i =1
n
.
∑m
S
i =1
n .
T0 ⎞ .
⎟⎟ − W VC + ∑ m e .e.xe
i =1
i ⎠
∑ Q ⎜⎜1 − T
i =1
(1)
i =1
.hS = 0
n
.
∑m
i =1
S
(2)
hS = I VC
(3)
.
Onde m e e m s , he e hs e xe e exs, são respectivamente os fluxos de massa, as entalpias e as exergias
quem entram e saem do volume de controle em (kg/s), (kJ/kg) e (kJ/kg); Ti e T0 são: Temperatura
superficial do volume de controle (K) e Temperatura do fluido no estado de referência (K); IVC é a taxa de
.
.
irreversibilidade no volume de controle (kW) e Q VC e W VC são respectivamente o fluxo de calor e potência
no volume de controle. As exergias especificas na entrada e saída de cada equipamento são calculadas,
respectivamente, por:
exe(s) = (h-h0)e(s) – T0(s-s0)e(s)
(4)
Onde h0 e s0 são respectivamente entalpia e entropia da água para o estado de referencia. As eficiências
pela primeira e segunda lei são respectivamente:
η=
Ψ=
W
(5)
.
m Δhiso
Δhreal
exe − ex s
(6)
Pode-se definir a equação que permite quantificar a porcentagem da irreversibilidade de cada
equipamento(Iequip) em relação ao total da planta (It):
I (%) =
I
It
(7)
3. Resultados
As eficiências da segunda lei e as irreversibilidades geradas nos principais equipamentos no ciclo
combinado são apresentadas na tabela1.
Tabela 1 – Eficiências e irreversibilidades no ciclo combinado.
equipamento
Ψ(%)
I (kJ)
I (%)
Compressor
94
3524
4.12
Queimador
77.5
58175.5
68
Expansor
97
4667.8
5.5
Caldeira de recuperação
83
8186
9.6
Turbina a vapor
90
7510.5
8.8
Condensador
59
3523
4.1
Bomba
90.5
33.5
0.04
Total
85620
100
Na tabela 2 são apresentadas as eficiências energéticas e exegéticas para o ciclo aberto e combinado.
Tabela 2 – Eficiências globais dos ciclos considerados.
η(%)
Ψ(%)
35
37
51
50
4. Discussão e Conclusão
O uso de equações generalizadas para determinação de estados termodinâmicos gera desvios em
relação aos valores encontrados nas tabelas termodinâmicas de cada substância, no caso da água tem-se uma
substancia altamente polar e com fator de acêntrico (w) alto. São esperados desvios de até 20% quando se
compara a tabela do vapor de água com as generalizadas. Este problema não existe quando se determinam as
propriedades do ciclo a gás, pois se considera o ar como gás perfeito. Observa-se a presença de maiores
irreversibilidades em equipamentos que apresentam maiores diferenças de temperatura entre seus fluxos.
Através dos resultados obtidos, nota-se um acréscimo das eficiências energética e exergética para o ciclo
combinado.
5. Referências Bibliográficas
Antunes, J.S., “Código computacional para analise de cogeração com turbinas a gás”, dissertação de
Mestrado, Unesp 169p., Guaratinguetá, 1999.