aula 2 maquinas termicas COMBUSTÃO Projeto de sistemas térmicos

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Máquinas Térmicas 
Projeto de sistemas térmicos
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Departamento de Energia
Etapas de um projeto
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
 
classificação de tarefas 
projeto conceitual 
projeto preliminar 
projeto detalhado 
especificação de informações 
especificação de princípio de solução 
especificação de configuração 
especificação de execução 
Conceitos 
técnicos e 
tecnológicos
Informação dada 
por quem 
contrata o projeto
Especificação e 
compra de 
equipamentos, 
montagem, 
comissionamento
Em termos do curso de Máquinas Térmicas:
• Conceitos técnicos: como o uso de tabelas termodinâmicas, aplicação de balanço de 
massa e energia, conceito de perda de carga, formas de transmissão de calor;
• Conceitos tecnológicos: como conhecimento do funcionamento de equipamentos, limites 
operacionais em condições de projeto e fora do ponto de projeto.
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PAHL, G; BEITZ, W. Engineering design: a sistematic approach. Berlin: Springer; 1996.
Os caminhos percorridos ao longo do projeto:
-- especificando “princípios de solução” 
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universo de todos os possíveis projetos propostos 
soluções 
 não funcionais 
soluções funcionais 
soluções eficientes 
soluções ótimas 
 
restrições técnicas 
restrições econômicas 
restrições legais 
(institucionais, 
ambientais,etc) 
eficiências 
irreversibilidades,... 
taxas de juros 
taxas interna 
de retorno, ... 
normas ambientais, 
fontes de 
financiamento, ... 
Projeto
Operação Expansão
e 
Manutenção
Proposição de 
configuração 
inicial
Proposição de 
configuração final
Análise em cargas 
nominal e parciais
Análise de 
expansão futura
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Um possível algoritmo para projeto de sistemas térmicos
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Solução 
real 
modelos de otimização 
modelo de 
avaliação do 
ambiente 
características do ambiente 
 
gerador de 
alternativas 
(síntese) 
modelo de 
previsão do 
desempenho do 
sistema 
controle (feed back) 
modelo de 
avaliação do 
sistema 
 
PROBLEMA 
REAL 
SOLUÇÃO 
REAL 
PROBLEMA 
MATEMÁTICO 
SOLUÇÃO 
MATEMÁTICA 
percurso direto percurso indireto 
classe de 
modelos 
 
interpretação 
análise 
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Um exemplo (genérico) de projeto
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• A “especificação de informações” tem de ser precisa;
• Há diversos “princípios de solução” a serem considerados em um projeto;
• A “especificação de configuração” deve atender a padrões técnicos, econômicos, 
ambientais e legais definidos de forma quantitativa.
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Um exemplo de projeto de sistemas térmicos
“especificação de informações”: projetar um sistema de geração de vapor que atenda às 
vazões especificadas de alta pressão, de média pressão e de baixa pressão;
Possíveis “princípios de solução” podem ser propostos no projeto conceitual (respeitando o balanço de 
massas):
• gerar vapor de alta pressão AP (P1, T1) na caldeira e produzir vapor de média pressão MP (P2, T2) com 
válvula redutora de pressão (VRP);
• gerar vapor de alta pressão AP (P1, T1) na caldeira e produzir vapor de média pressão MP (P2, T2) com 
turbina a vapor de contrapressão;
• com vapor de média pressão MP (P2, T2), produzir vapor de baixa pressão BP (P3, T3) com válvula 
redutora de pressão (VRP);
• com vapor de média pressão MP (P2, T2), produzir vapor de baixa pressão BP (P3, T3) com turbina a 
vapor de contrapressão.
Vapor de média 
pressão: m2, P2, T2 
Vapor de baixa 
pressão: m3, P3, T3 
 Vapor de alta 
pressão: m1, P1, T1 
caldeira 
 VRP turbina 
 VRP turbina 
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Cada decisão de projeto, porém, apresenta impactos técnicos de eficiência:
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• O cenário A é a solução original do problema posto; o cenário B é a avaliação possível aumento na vazão MP
• No cenário A apenas a turbina a vapor é empregada; no cenário B a TV e a VRP são empregadas;
• A decisão sobre o emprego de uma TV (que reduz a pressão e gera potência mecânica) ou de uma VRP (que 
reduz a pressão sem gerar potência mecânica) entre dois níveis de pressão, ou entre uma TV de maior ou de 
menor capacidade sem VRP, ou ainda substituindo a VRP por outra TV, impacta diretamente a eficiência de 
cada máquina e do sistema como um todo.
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... impactos técnicos de confiabilidade de geração de energia elétrica...
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https://www.energy.gov/eere/amo/downloads/distributed-generation-operational-reliability-and-availability-database-final 01/03/2021
• os conceitos de confiabilidade são apresentados na tabela ao lado;
• os dados sobre conjuntos a gás são fornecidos para ilustrar que 
equipamentos de maior capacidade apresentam maior confiabilidade 
que os de menor capacidade (os dados para TV se restringem a 
apenas uma faixa;
• apesar da melhor confiabilidade de máquinas de maior capacidade, 
a saída de uma máquina de 30 MW apresenta FOR de 1,37 %, 
enquanto que a probabilidade de perder 30 MW com 10 máquinas de 
3 MW é de 0, 028910= 4.10 -16 %!
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... assim como impactos econômicos:
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http://www.ilsr.org/distributed-concentrating-solar-thermal-power-yes/ -- 03/01/2014
• O custo específico é obtido dividindo o custo de investimento de um equipamento pela sua capacidade 
nominal;
• Observa-se que equipamentos de maior capacidade apresentam maior custo de investimento, porém 
menor custo específico, ou seja, a TV de 200 kW custa ~ 360.000 euros (1800 euros/kW * 200 kW) enquanto 
a TV de 2000 kW custa ~2.000.000 euros (1000 euros/kW * 2000 kW) 
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http://www.ilsr.org/distributed-concentrating-solar-thermal-power-yes/
... assim como impactos ambientais:
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• As emissões de CO2, NOx (NO2 e NO3), SOx (SO2 e SO3), além de outros gases poluentes, depende de 
cada tecnologia escolhida, do combustível utilizado e de como se realiza o processo de combustão.
• O índice g/kWh é representativo da vazão de poluente (em g/h) dividido pela potência (em kW) gerada em 
cada tecnologia.
http://www.firstsolar.com/en/about-us/corporate-responsibility/environmental-impact, 08/03/2014 
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No “projeto preliminar” o que se busca é estabelecer uma configuração (ou esquema, ou arranjo) que 
estabeleça um “sistema” composto por múltiplos equipamentos, harmonicamente vinculados.
• o ciclo térmico a vapor pode ser puramente termelétrico com turbina a vapor de condensação:
• o ciclo térmico a vapor pode ser termelétrico de cogeração com turbina a vapor de contrapressão:
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1 
2 
3 
4 
bomba 
condensador 
caldeira turbina 
 
1 
2 
3 
4 
bomba 
processo 
consumidor 
caldeira turbina 
Calor que sai da TV na forma de 
vapor é perdido no condensador 
(“fonte fria”)
Calor que sai da TV na forma de 
vapor é aproveitado para uso 
em um processo
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Na geração termelétrica de ciclo a vapor com turbina a vapor de condensação:
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E
S
UNIDADE DE
PROCESSO
PRODUTO
E
S
UNIDADE DE
PROCESSO
PRODUTO
(a)
(b)
concessionária local
caldeira ou chiller
central de
cogeração
E'
S'
Energia primária
Energia primária
Energia primária
térmicoentodimren
PCImE
t
i
ii,c
'
t


 
 
4 
1 
2 
3 
Calor perdido 
E´ 
demanda elétrica 
)PCIm(
i
ii,c 
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No geração termelétrica de cogeração com turbina a vapor de contrapressão:
Cogeração (cogeneration ou combined heat and power, CHP) é a geração de duas ou mais formas de energia 
útil (em geral, uma térmica e outra mecânica/elétrica) a partir de uma mesma fonte de energia primária
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E
S
UNIDADE DE
PROCESSO
PRODUTO
E
S
UNIDADE DE
PROCESSO
PRODUTO
(a)
(b)
concessionária local
caldeira ou chiller
central de
cogeração
E'
S'
Energia primária
Energia primária
Energia primária
cogeraçãodeou
globalentodimren
PCIm
SE
g
i
ii,c
''
g



 
 
unidade de 
processo 
4 
1 
2 
3 
S´ 
E´ 
demanda elétrica 
)PCIm(
i
ii,c 
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A cogeração exige que se defina, para fins de projeto, a estratégia operacional – se em 
paridade elétrica (PE) ou paridade térmica (PT):
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0,5 MPa/210o C 
2875 kJ/kg, 7,1 kJ/kgK 
4 
1 
2 
3 
horas 
horas 
kW 
 
6000 
 
3000 
 
 
 
 
kg/s 
 15 
 10 
 5 
 
necessidade elétrica 
necessidade de vapor 
10 MPa/500o C 
3375 kJ/kg, 6,6 kJ/kgK 
unidade de 
processo 










)kW(5000/7500/5000:PT
)s/kg(12/6/6:PE
m500W
)kg/kJ(500h
hmW
pe
pe 
 PE: 6 / 6 / 12 (kg/s)
PT: 5000/7500/5000 (kW)
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15
 Cogeração qualificada - Resolução ANEEL 235, de 14/11/2006, 
estabelece os requisitos para a qualificação de centrais termelétricas 
cogeradoras de energia
o Critério de racionalidade energética:
Energia da utilidade calor (Et): energia cedida pela central termelétrica 
cogeradora, no seu regime operativo médio, em kWh/h, em termos líquidos
Energia da utilidade eletromecânica (Ee): energia cedida pela central 
termelétrica cogeradora, no seu regime operativo médio, em kWh/h, em 
termos líquidos
Energia da fonte (Ef): energia recebida pela central termelétrica cogeradora, 
no seu regime operativo médio, em kWh/h, com base no conteúdo energético 
específico, que no caso dos combustíveis é o Poder Calorífico Inferior (PCI);
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


i
ii,c
''
g
PCIm
SE

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Exemplo: se Et = 300 kW
- gás natural até 5 MW - 3/10 > 15% e
(30/100) / 2,14 + (4/10) = 54% > 41%
- Biomassa até 5 MW - 3/10 > 15% e
(30/100) /2,50 + (4/10) = 52% > 32%
Exemplo: se Et = 30.000 kW
- gás natural acima de 20 MW - 3/10 > 15% e
(30/100) / 2,00 + (4/10) = 55% > 50%
--Biomassa acima de 20 MW - 3/10 > 15% e
(30/100) / 1,88 + (4/10) = 56% > 42%
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Exemplo: Ef= 1000 kW; Ee= 400 kW, Et = 160 kW
- gás natural até 5 MW - 160/1000 > 15% e
(16/100) / 2,14 + (4/10) = 47% > 41%
- Biomassa até 5 MW - 160/1000 > 15% e
(16/100) / 2,50 + (4/10) = 46% > 32%
Exemplo: Ef= 100.000 kW; Ee= 40.000 kW, Et = 16.000 kW
- gás natural acima de 20 MW - 160/1000 > 15% e
(16/100) / 2,00 + (4/10) = 48% < 50%
- Biomassa acima de 20 MW - 160/1000 > 15% e
(16/100) /1,88 + (4/10) = 48,5% > 42%
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Coletor de vapor (header) Barramento elétrico (grid)
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Múltiplos componentes gerando um mesmo insumo
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Processo LP 
EEprocesso EEvenda EEcompra 
 
 
 
Processo MP 
Condensação 
Processo HP 
 
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• caldeira
• Turbina a vapor
• Bomba
• Condensador
1
1
1
Símbolos empregados em projetos de sistemas térmicos
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Símbolos empregados em projetos de sistemas térmicos
• conjunto a gás
• Compressor
• Caldeira de 
recuperação, 
trocador de calor
• Desaerador
• Gerador
1
H
1
1
1
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Equipamentos térmicos empregados em projetos de sistemas térmicos
• Desaerador
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https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_power_station#/media/File:Deaerator.png
https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-6a37d64404155d91dd6330ec386514ef
http://www.cosmiconenermatik.com/imagesfile/foto_tank_1_228.gif
mv, Pv, Tv – vapor de 
baixa pressão (flash)
ma, Pa, Ta – água do 
condensador e/ou tanque
mq, Pq, Tq – água 
quente, vai para caldeira
Notas:
• dados (P, T)  encontra-se h
• hv, ha, hq e mq são conhecidos
CO2, O2, H2 são purgados por 
válvula pilotada por pressão
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O curso de Máquinas Térmicas oferecido no mercado
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O curso de Máquinas Térmicas oferecido no mercado
Detalhe: 
O curso não vai te ensinar conceitos de 
Máquinas Térmicas ou sobre projeto de sistemas 
térmicos – eles admitem que isso você saiba... 
eles vão te ensinar a utilizar os softwares, e o 
preço para isso não inclui passagens, hotel e 
diárias... 
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Indicadores empregados em ciclos térmicos
• Rendimento térmico
• Consumos específicos:
• de calor (heat rate)
• de combustível (fuel rate ou specific fuel consumption)
• de vapor (steam rate)
PCIm
WW
Q
W
c
btv
cald
liq
t 


 








kWh
kJ
W
PCIm3600
HR
liq
c


3600HR t 







kWh
kg
W
m3600
SR
liq
v









kWh
kg
W
m3600
FR
liq
c


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Exemplos de ciclos térmicos de geração
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https://beingmechanical.files.wordpress.com/2015/02/wpid-wp-14247663827521.jpeg?w=816&h=9999 
DOI: 10.1016/j.egypro.2015.11.801
http://www.thermopedia.com/content/1072/rankinecycle
https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/SteamPlant
/cogen_cfwh.gif
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Exemplos de ciclos térmicos de geração
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DOI: 10.1155/2014/520183www.researchgate.net/publication/279884414_Thermodynamic_and_economic_evaluation_
of_a_solar_aided_sugarcane_bagasse_cogeneration_power_plant
https://dbnst.nii.ac.jp/english/detail/1797
https://www.researchgate.net/publication/309340099/figure/fig14/AS:419630310019085@1
477059070794/Process-flow-diagram-of-a-power-matched-carbon-capture-retrofit-with-a-
combined-cycle-gas.png
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Exemplos de ciclos térmicos de geração
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 = 2.01
P = -15.30 kW
i = 75 %
m,el = 84.29 %
Pm = 3260.80 kW
i = 75 %
Tlow = 147.74 K
Thigh = 154.62 K
Tlow = 29.62 K
Thigh = 235.53 Kxcr = 3.34
Tlow = 48.35 K
Thigh = 30.09 K
Pm = 3616.85 kW
i = 90 %
 = 2.90
Treac = 1150.00 °C
P = -1759.48 kW
i = 86 %
Compressor
Pel = 1820.22 kW
Pel = 3195.58 kW
 1.010 199.36
 -2214.61 14.136
8585
 1.015 565.08
 -1789.11 14.136
8383
 1.015 1193.13
 -977.46 14.136
8181
 1.005 198.54
 -2215.52 14.136
8080
 1.010 494.21
 -1874.70 14.136
7878
 1.010 284.79
 177.53 12.400
 0.9880 284.79
 177.53 12.400
7676
 1.018 15.54
 -98.31 12.4007575
 1.013 15.00
 -98.85 12.4007474
 1.005 363.91-2028.11 14.1367373
 50.98 265.16
 2793.40 2.923
7272
7171
 50.98 142.95
 604.90 2.923
7070
 50.98 265.16
 1160.61 15.670
6565
 51.98 266.38
 1654.49 3.645
6464
 51.98 265.91
 1164.38 1.092
6161
5858
4141
 1.035 296.00
 -1106.49 7.697
4040
 1.035 501.91
 -875.50 7.697
3939
 6.400 962.83
 -320.00 7.697
3737
 6.400 1014.08
 -357.50 7.1203535
 6.700 251.25
 142.51 0.577
2727
 0.07000 39.00
 163.37 3.589
2525
 1.040 571.62
 -794.65 7.697
2323
 6.700 251.25
 142.51 7.217 2121
 1.013 15.00
 -98.85 7.217
2020
 43.98 400.00
 3207.37 2.923
1616
 43.98 354.17
 3094.53 4.015
1515
 3.000 22.53
 -92.79 1000.000
1414
 3.000 18.00
 -100.80 1000.000
1313
1212
1111
 54.98 104.65
 442.73 2.923
1010
99
 1.360 126.27
 2725.76 0.425
88
 51.98 266.38
 1166.76 3.645
77
 42.98 417.00
 3249.54 4.015
66
55
 1.010 15.00
 -9227.39 1.736
44
 1.035 153.00
 -1260.36 7.697
33
 10.00 15.00
 -7273.92 0.480
22
 0.07000 39.00
 2393.98 3.589
 0.07000 39.00
 2393.98 3.589
11
65
62
61
60
59
58
H
57
H
55
H
54
53
52
50
49
48
H
46
45
H
43
H
41
40
H
37
36
35
26
25
24
22
21
20
15
3
2
1
Fuel
Steam
Water
Flue gas
Air
Biogas
msw fuel
Biogas
Evaporator
Superheater
Economizer
Municipal solid waste
 boiler
Condenser
Superheater
Evaporator
Economizer
Gas turbine
 Heat recovery steam generator
Steam turbine
condensing turbine
p T
h m
p = Pressure [bar]
T = Temperature [°C]
h = Enthalpy [kJ/kg]
m = Massflow [kg/s]
Tl = Low end temp. diff. [K]
Th = High end temp. diff. [K]
Treac = Reaction temperature [°C]
P = Pow er [kW]
i = Isentropic eff iciency [%]
m,e = Mechanical*Electrical eff. [-]
 = Airfactor [-]
x = Circulation ratio [-]
m,e = Mechanical*Electrical eff. [%]
Incinerator combined cycle 
Modelagem no software Cycle Tempo – Elzimar Tadeu de Freitas Ferreira, Dr.
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Exemplos de ciclos térmicos de geração
Os direitos de uso deste material são reservados ao seu autor.
http://dx.doi.org/10.15446/dyna.v82n189.42245 DOI: 10.3390/en7106358
DOI: 10.3390/en81011095
https://filter.ee/en/solutions/turn-key-sol/combined-heat-and-power-plants/gas-engine-
plants-0-3-30mw/27-trigeneration-solutions-for-trade-centers