UNIP- cogeração trabalho

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UNIP – Universidade Paulista 
Instituto de Ciências Exatas e de Tecnologia 
Curso: Engenharia Mecânica 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
COGERAÇÃO 
 
 
 
 
 
 
Bruno de Souza Lima RA: C4206h8 
Turma: TT0P18 
Código: 189R 
 
 
 
 
 
 
 
Ribeirão Preto 
2020 
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SUMARIO 
1 INTRODUÇÃO..........................................................................................3 
1.1 Tipos de sistemas de cogeração................................................4 
2 TECNOLOGIAS DE SISTEMA DE COGERAÇÃO...............................5 
2.1 Tecnologias convencionais.........................................................5 
2.1.1 Turbinas de gás...........................................................6 
2.1.2 Motores alternativos....................................................7 
2.1.3 Turbinas de vapor........................................................8 
2.2 Tecnologias emergentes.............................................................8 
2.2.1 Microturbinas...............................................................8 
2.2.2 Pilhas de combustível..................................................9 
3 REFERENCIAS BIBLIOFRAFICAS......................................................10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1 INTRODUÇÃO 
 
A cogeração basicamente é a geração simultânea de vários tipos de 
energia útil, normalmente são elétricas e térmicas, num sistema integrado, a 
partir de uma única fonte primaria. Onde temos um aproveitamento com mais 
de 60% da energia térmica proveniente dos combustíveis utilizados no 
processo.(Perrella, 2002). 
Observando a 2ª lei da termodinâmica, a utilização da eletricidade é 
evidente, no entanto é praticamente impossível converter totalmente em 
eletricidade a energia contida numa fonte térmica. Um dos principais locais de 
aplicação deste tipo de sistema é na indústria, com necessidade de calor no 
recinto da indústria, que necessita de calor para aquecimento. A Figura 1 
mostra como exemplo, um gerador que utiliza um combustível, como gás 
natural, que, no processo de combustão, libera calor e expande, gerando 
trabalho, que movimenta um eixo acoplado a um gerador de energia elétrica. 
Os gases produtos da combustão são eliminados pela exaustão. Porém, antes 
de serem descartados na atmosfera, passam por uma caldeira de recuperação 
ou um chiller de absorção para geração de vapor ou água gelada, 
respectivamente.(Perrella, 2002). 
 
Figura 1 – Exemplo de sistema de cogeração. 
 
Fonte: Togawaengenharia, 2018. 
 
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1.1 TIPOS DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO 
 
As classificações dos sistemas de cogeração baseiam-se nos tipos de 
máquinas térmicas que os equipam. Atualmente para uso são utilizados, 
tradicionalmente, motores alternativos (de explosão – ciclo otto ou de 
compressão interna – ciclo diesel) ou as turbinas, sendo elas (a gás ou a 
vapor) e, como estamos avançando cada dia mais, podemos destacar as, 
microturbinas e pilhas de combustível.(Castro, 2009). 
Em alguns países, são muito utilizados no sistema de cogeração 
motores alternativos. 
A seguir, podemos analisar as principais vantagens e desvantagens de 
alguns tipos tecnológicos do sistema de cogeração em alguns tópicos. 
 
• TURBINAS A GAS: 
Vantagens: não necessita de refrigeração, emissões poluentes 
baixas. 
Desvantagens: rendimento reduzido a carga parcial, ineficiente 
em processos com poucas necessidades térmicas. 
• MOTORES DE EXPLOSÃO: 
Vantagens: arranque rápido, operação com gás a baixa pressão. 
Desvantagens: custos de manutenção elevados, necessidade de 
refrigeração. 
• TURBINA A VAPOR: 
Vantagens: operação com diversos tipos de combustível, 
rendimento global elevado. 
Desvantagens: arranque lento, rendimento elétrico baixo. 
• MICROTURBINAS: 
Vantagens: peso reduzido, não necessita de refrigeração. 
Desvantagens: calor de baixa temperatura, custos elevados. 
• PILHAS DE COMBUSTIVEL: 
Vantagens: emissões de poluentes baixas, ruído baixo. 
Desvantagens: tecnologia em manutenção, custos elevados. 
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2 TECNOLOGIAS DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO 
 
Hoje em dia as centrais de cogeração são divididas em dois grandes 
grupos, de acordo com o grau de necessidade, desenvolvimento tecnológico e 
disseminação comercial em que se encontram: 
 
• Tecnologias convencionais 
- Turbinas de gás 
- Motores alternativos (explosão e de ignição por compressão) 
- Turbinas de vapor de contra pressão 
• Tecnologias emergentes 
- Microturbinas 
- Pilhas de combustíveis 
 
Para melhor esclarecimento nos parágrafos posteriores teremos todos 
os processos discriminados sucintamente. 
 
 
2.1 TECNOLOGIAS CONVENCIONAIS 
 
A fim de esclarecimentos para melhor entendimento, a conversão de energia 
nas centrais convencionais como (carvão ou a fuel) faz-se de acordo com o já 
conhecido ciclo de rankine, em que o fluido de trabalho – a água – vai mudando sua 
fase ao longo do tão conhecido ciclo termodinâmico.(Castro,2009) 
Na indústria para diversos outros fins temos outros equipamentos de 
conversão, como motores de explosão, motores diesel, turbinas de gás, onde 
encontram-se gases como fluido de trabalho. Ao decorrer da utilização desses 
processos o fluido utilizado vai sofrendo mudanças em sua composição. Por exemplo, 
“quando o fluido de trabalho começa por ser o ar, ao qual, durante o processo de 
combustão, é adicionado combustível, transformando-se numa mistura de as e 
combustível, designada por produto de combustão”.(Castro,2009). 
 
 
 
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2.1.1 TURBINAS DE GAS 
 
Operando em ciclo aberto as turbinas a gás funcionam de tal forma que 
o ar atmosférico é conduzido ao compressor, onde a temperatura e a pressão 
são elevadas conforme Figura 2. Na câmara de combustão, o ar entra em 
contacto com o combustível que está a arder a pressão constante. Os gases 
resultantes desta mistura, a alta temperatura, entram na turbina, onde são 
expandidos, produzindo trabalho. O trabalho útil é a diferença entre o trabalho 
entregue pela turbina e o trabalho entregue ao compressor. Os gases exaustos 
são rejeitados, sendo possível aproveitar, de forma útil, o calor associado. 
(Cittadin, 2012) 
A temperatura dos gases da exaustão é relativamente elevada – da 
ordem de 400 a 500ºC nas turbinas das pequenas unidades industriais, 
podendo mesmo atingir cerca de 600ºC nas turbinas de maior dimensão. A 
instalação de um recuperador de calor permite aproveitar este calor para 
produzir vapor ou água quente. (Cittadin, 2012). 
 
Figura 2: ciclo aberto, turbina a gas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: utptermodinamica, 2013 
 
 
 
 
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2.1.2 MOTORES ALTERNATIVOS 
 
Para fins de conhecimento existem hoje dois tipos de motores 
alternativos, sendo eles: de explosão (ignição por faísca) representado na 
Figura 3, que usam normalmente o gás natural, embora também possam ser 
utilizados tanto o propano quanto a gasolina, e os motores de ignição por 
compressão que operam com diesel. (Cittadin, 2012). 
Habitualmente são utilizados os motores de explosão nas instalações de 
cogeração, uma vez que possuem várias fontes de recuperação de calor: 
gases da exaustão e circuitos de refrigeração do óleo do motor. (Cittadin, 2012) 
 
Figura 3: Esquemático de um motor de explosão e seu funcionamento. 
Fonte: autonocion, 2020 
 
Analisando a Figura 3 podemos dizer que basicamente ela compõe-se 
de uma câmara de combustão que em seu interior contém um cilindro, duas 
válvulas (uma de admissão e outra de escape) e por fim uma vela de ignição. O 
pistão que se move no interior do cilindro é acoplado á biela que de articula 
com a cambota. A cambota transforma o movimento de vaivém num 
movimento rotativo. (Castro, 2009) 
 
 
 
 
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2.1.3 TURBINAS DE VAPOR 
 
Turbinas de vapor são um dos mais conhecidos equipamentos das 
centrais térmicas convencionais, onde utilizam (carvão ou fuel), incluindo asde 
ciclo combinado (a gás natural). (Balestieri, 2002). 
O funcionamento das turbinas a vapor é descrito pelo ciclo de rankine 
(Figura 4). 
 
Figura 4: Diagrama T/S do ciclo de Rankine. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Fonte: wikipedia, 2015 
 
2.2 TECNOLOGIAS EMERGENTES 
 
2.2.1 MICROTURBINAS 
 
O princípio de operação das microturbinas é muito semelhante ao das 
turbinas a gás, recorrendo ao ciclo de Brayton para caracterizar o seu 
funcionamento. 
A dimensão é a principal marca distintiva das duas tecnologias: as 
microturbinas situam-se na gama 30 – 300 kW, enquanto as turbinas a gás 
ocupam o campo desde 0,5 a 250 MW. 
O compressor comprime ar, o qual é pré-aquecido usando um 
permutador de calor que recupera o calor dos gases de exaustão da turbina. O 
ar aquecido é, então, misturado com o combustível na câmara de combustão e 
os gases quentes resultantes da combustão são expandidos na turbina. O calor 
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remanescente dos gases de exaustão pode ser aproveitado para outros fins 
úteis. 
Como vantagem, temos que: As microturbinas podem operar com uma 
grande variedade de combustíveis: principalmente gás natural, mas também 
combustíveis líquidos como gasolina, querosene e óleo diesel. 
Mas também contendo como desvantagem: A velocidade de rotação do 
veio é muito elevada (da ordem das 50.000 a 60.000 rpm), pelo que é 
necessária uma montagem do tipo retificador-inversor para injetar energia na 
rede. (Balestieri, 2002) 
 
2.2.2 Pilhas de combustível 
Uma tecnologia ainda em fase de desenvolvimento e aperfeiçoamento, 
configuram um modo de obtenção de energia elétrica completamente diferente 
tanto das tecnologias convencionais que usam combustíveis fosseis, como das 
tecnologias que fazem uso de recursos renováveis. 
As pilhas de combustível são, de certo modo, semelhantes às 
conhecidas baterias, no sentido em que ambas geram energia em corrente 
contínua através de um processo eletroquímico, sem combustão, nem 
transformação intermédia em energia mecânica. Contudo, enquanto as baterias 
convertem a quantidade finita (e muito limitada) de energia química 
armazenada em energia eléctrica, as pilhas de combustível podem, em teoria, 
operar indefinidamente, desde que lhes seja fornecida continuamente uma 
fonte de combustível, no caso, o hidrogénio. O hidrogénio requerido pode ser 
obtido, no local, a partir de um hidrocarboneto, tipicamente o gás natural, 
enquanto o oxigénio é retirado do ar ambiente. (Castro, 2009) 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
https://togawaengenharia.com.br/blog/cogeracao-de-energia/2018 
http://utptermodinamica2.blogspot.com/ 2013 
https://www.autonocion.com/motores-combustion-diesel-gasolina-vs-electricos-
par/(2020) 
https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine (2015) 
marioloureiro.net/tecnica/co-trigeracao/Cogeracao_ed2p0.pdf (Castro, 2009) 
https://periodicos.ifsc.edu.br/index.php/rtc/article/viewFile/631/445 (Perrela, 
2012). 
Livro- Cogeração, geração combinada de eletricidade e calor (Balestieri, 2002).