aula 3 maquinas termicas COMBUSTÃO Dicas de projeto de sistemas térmicos 06042020

Prévia do material em texto

Máquinas Térmicas
Atividade Complementar
Estruturação e análise de ciclos térmicos
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
jose.perrella@unesp.br
Departamento de Energia
mailto:Jose.perrella@unesp.br
Objetivos desta Atividade Complementar
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
✓ Caracterizar problemas típicos sobre ciclos térmicos na disciplina Termodinâmica
✓ Caracterizar problemas típicos sobre ciclos térmicos na disciplina Máquinas 
Térmicas
✓ Caracterizar estruturação de projeto conceitual a partir de classificação de tarefas
✓ Caracterizar estruturação de projeto preliminar a partir do projeto conceitual
✓ Desenvolver os conceitos de
✓ central de utilidades x unidade de processo
✓ cogeração 
✓ critério de paridade (térmica e elétrica/mecânica) 
✓ A partir da configuração selecionada no projeto preliminar, aplicar equações de 
conservação de massa e energia sobre componentes da configuração
Caracterização de problemas típicos sobre ciclos térmicos em Termodinâmica
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
Pressões e 
temperaturas 
são 
fornecidas
Rendimentos 
são 
fornecidos
Uma 
narrativa é 
fornecida...
Potência é 
fornecida
Uma 
configuração 
deve ser 
estruturada...
Os estados 
termodinâmicos 
devem ser 
visualizados em 
diagramas
Moran; Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. West Sussex:John Wiley, 2006. 5th edition.
... a partir da 
narrativa 
fornecida!
Caracterização de problemas típicos sobre ciclos térmicos em Termodinâmica
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
Uma 
configuração 
deve ser 
estruturada...
Moran; Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. West Sussex:John Wiley, 2006. 5th edition.
Aqueles exercícios de Termodinâmica que ninguém tenta resolver...
Prof. José Antonio Perrella Balestieri
Moran; Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. West Sussex:John Wiley, 2006. 5th edition.
Todos os direitos reservados ao autor deste trabalho
... consistem exatamente nos exercícios de Máquinas Térmicas e serão os “problemas abertos” que o 
futuro engenheiro haverá de enfrentar em sua vida profissional 
Quem define a 
pressão entre 
1,2 MPa e 34 Mpa e 
temperatura entre 
200°C e 650°C,
é você, como 
projetista...
... respeitando o tipo de 
aplicação (industrial, 
terciário, residencial) e as 
necessidades (de potência 
elétrica ou mecânica, de 
vapor saturado ou 
superaquecido, de água ou 
ar quente, ou resfriado...
As mínimas 
informações 
necessárias são 
fornecidas... 
(“se vira, p#$$@!...”)
Caracterização de problemas típicos sobre ciclos térmicos em Termodinâmica
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
Etapas de um projeto
 
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, 
comissionamentoPAHL, G; BEITZ, W. Engineering design: a sistematic approach. Berlin: Springer; 1996.
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
Projetar central de utilidades para uma fábrica 
integrada de celulose e papel que necessita de:*
→11 MW de demanda de potência elétrica
→6 kg/s de vapor a 1,2 MPa/240°C para Processo 1 
(P1, cozimento da celulose, secadores da máquina 
de papel)
→14 kg/s de vapor a 0,7 MPa/180°C para Processo 2 
(P2, compatível com evaporação e polpação) 
PAHL, G; BEITZ, W. Engineering design: a sistematic approach. Berlin: Springer; 1996.
Para entender um pouco mais sobre o setor de celulose e papel: (em 03/abril/2020)
http://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-314/topico-407/PRODUTO%204_Vpublicacao.pdf
http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/7350/1/PB_DAMEC_2016_2_18.pdf
http://www.eucalyptus.com.br/eucaliptos/PT19_EcoeficienciaEnerg.pdf
Princípios de solução disponíveis:
→Ciclo a vapor: mais usado nesse setor! **
→Ciclo a gás
→Ciclo combinado gás/vapor
→Ciclo motor de combustão interna
→Ciclo combinado motor combustão/vapor
* Dados industriais de uma fábrica integrada de celulose e papel de pequeno porte do Vale do Paraíba (não mais ativa)
**
- Não iremos entrar no mérito dos tipos de equipamentos (caldeiras e turbinas), assunto do Capítulo 3.
- Neste momento, é suficiente afirmar que o setor de celulose e papel tradicionalmente utiliza caldeiras de recuperação química (caldeira Tomlinson) que 
queimam licor preto e caldeiras de biomassa que queimam cascas e cavacos de madeira
PAHL, G; BEITZ, W. Engineering design: a sistematic approach. Berlin: Springer; 1996.
Caracterizar estruturação de projeto conceitual a partir de classificação de tarefas
http://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-314/topico-407/PRODUTO%204_Vpublicacao.pdf
http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/bitstream/1/7350/1/PB_DAMEC_2016_2_18.pdf
http://www.eucalyptus.com.br/eucaliptos/PT19_EcoeficienciaEnerg.pdf
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
PAHL, G; BEITZ, W. Engineering design: a sistematic approach. Berlin: Springer; 1996.
Possíveis configurações em Ciclo a vapor:
a) Caso 1: gera vapor para processo P1 e expande em 
uma válvula para atender o processo P2
P1
P2
caso1
P1
P2
caso2
P1
P2
caso3
P1 P2
caso5caso4
P1 P2
Potência elétrica tem de ser gerada por 
outros equipamentos ou comprada da 
rede (não atende às especificações)
A baixa queda entálpica entre P1 e P2 
pode inviabilizar tecnicamente o projeto 
da turbina a vapor – o mesmo vale para 
o caso3
b) Caso 2: gera vapor vivo na condição de P1 com 
turbina de contrapressão
c) Caso 3: gera vapor vivo na condição de 
P1 com turbina de condensação e 1 
extração
d) Caso 4: gera vapor vivo em pressão 
superior à do processo P1 com turbina de 
contrapressão e 1 extração
e) Caso 5: gera vapor vivo em pressão 
superior à do processo P1 com turbina de 
condensação e 2 extrações
→ P1: 6 kg/s, 1,2 MPa/240°C → h1=2912 kJ/kg; s1=6,785 kJ/kgK
→ P2: 14 kg/s, 0,7 MPa/180°C → h2= 2799 kJ/kg; s1=6,788 kJ/kgK
Caracterizar estruturação de projeto preliminar a partir do projeto conceitual
Desenvolver o conceito de central de utilidades x unidade de processo
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
O Caso 4 (geração de vapor vivo em pressão superior à do processo P1 com TV de contrapressão e 1 extração) será assumido como a 
primeira configuração que deverá ser analisada para o desenvolvimento do projeto preliminar
P1
P2
central de utilidades
fábrica integrada 
de
celulose e papel
produtos
matérias primas
✓ Observe que os processos fazem parte da estrutura produtiva (fábrica, shopping center, hospital, residência...) que necessita de formas distintas 
dos produtos da central de utilidades e determinadas em termos de potências, vazões, pressões, temperaturas,...
PORÉM,
✓ Ao desenhar a configuração do ciclo térmico, os processos são integrados à central de utilidades para facilidade de visualização
E
✓ A depender da tecnologia empregada na central de utilidades, não necessariamente se verifica que as quantidades geradas atendem 
integralmente às necessidades da estrutura produtiva, exigindo que um critério de prioridade (paridade) seja definido...
ENTÃO...
?? 11 MW
?? 6 kg/s
0,7 MPa/180 °C
?? 14 kg/s
1,2 MPa/240 °C
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
Cogeração é ageração simultânea de duas ou mais formas de energia (em geral, uma forma elétrica ou mecânica e a outra térmica –
vapor, água e/ou ar quente ou resfriado) a partir de uma mesma fonte de energia primária (combustível)
P1
P2
central de utilidades
fábrica integrada 
de
celulose e papel
produtos
matérias primas
✓ Se for adotado o critério da paridade elétrica, a turbina a vapor deverá gerar 11 MW de potência elétrica (o que equivale a gerar 
11000/0,95=11570 kW de potência mecânica no eixo da turbina a vapor, considerando rendimento do gerador elétrico de 95%)
✓ As necessidades térmicas poderão não ser satisfeitas – se faltar vazão para um ou os dois processos (déficit), alternativas devem ser 
providenciadas, seja por geração das mesmas em outros equipamentos ou a sua compra de terceiros (se houver esta opção); se sobrar vapor 
(excedente), pode ser comercializado (se houver esta opção), ou condensado, ou exaustado ao ambiente
✓ Se for adotado o critério da paridade térmica, a turbina a vapor deverá gerar 6 kg/s de vapor a 1,2 MPa/240 °C e 14 kg/s de vapor a 
0,7 MPa/180 °C
✓ As necessidades elétricas poderão não ser satisfeitas – se faltar eletricidade (déficit) ela poderá ser gerada por outros equipamentos ou 
adquirida de terceiros (mercado atacadista de energia); se houver excedente, ela pode ser comercializada (mercado atacadista de energia)
?? 11 MW
?? 6 kg/s
1,2 MPa/240 °C
?? 14 kg/s
0,7 MPa/180 °C
Desenvolver o conceito de cogeração e critérios de paridade
critério de paridade
A partir da configuração selecionada no projeto preliminar, aplicar equações de 
conservação de massa e energia sobre componentes da configuração
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
Sequência das etapas da análise:
a) Identificação dos pontos principais da configuração (pontos 1 a 5 da configuração abaixo)
b) Determinação das propriedades termodinâmicas dos pontos inicialmente conhecidos (pontos 4 e 5 da configuração abaixo)
→Ponto 4 (P1): 6 kg/s, 1,2 MPa/240°C → h4=2912 kJ/kg; s4=6,785 kJ/kgK
→Ponto 5 (P2): 14 kg/s, 0,7 MPa/180°C → h5= 2799 kJ/kg; s5=6,788 kJ/kgK
c) Aplicar as equações de conservação de massa (ECM) e energia (ECE) em cada componente da configuração, A PARTIR DOS 
PONTOS CONHECIDOS (portanto, iniciando pela turbina a vapor) e retrocedendo até o acionador primário (no caso, a caldeira) 
ou além, se for o caso (no caso, até a bomba)
P1 P2
1
2
3
4 5
ሶ𝑚3 = ሶ𝑚4+ ሶ𝑚5
Análise da turbina a vapor:
ECM: →
ECE: ሶ𝑊𝑡𝑣 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4 − ሶ𝑚5ℎ5
Análise da caldeira:
ECM:
ECE: 
ሶ𝑚2 = ሶ𝑚3
ሶ𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑 = ሶ(𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚2ℎ2)𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 = ሶ𝑚𝑐𝑃𝐶𝐼
Análise da bomba:
ECM:
ECE: 
ሶ𝑚1 = ሶ𝑚2
ሶ𝑊𝑏 = ሶ𝑚2ℎ2 − ሶ𝑚1ℎ1
ሶ𝑚3 = 20 𝑘𝑔/𝑠
A partir da configuração selecionada no projeto preliminar, aplicar equações de 
conservação de massa e energia sobre componentes da configuração
Prof. José Antonio Perrella BalestieriTodos os direitos reservados ao autor deste trabalho
P1 P2
1
2
3
4 5
ሶ𝑚3 = ሶ𝑚4+ ሶ𝑚5
Análise da turbina a vapor:
ECM: →
ECE: ሶ𝑊𝑡𝑣 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4 − ሶ𝑚5ℎ5
Análise da caldeira:
ECM:
ECE: 
ሶ𝑚2 = ሶ𝑚3
ሶ𝑄𝑐𝑎𝑙𝑑 = ሶ(𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚2ℎ2)𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 = ሶ𝑚𝑐𝑃𝐶𝐼
Análise da bomba:
ECM:
ECE: 
ሶ𝑚1 = ሶ𝑚2
ሶ𝑊𝑏 = ሶ𝑚2ℎ2 − ሶ𝑚1ℎ1
ሶ𝑚3 = 20 𝑘𝑔/𝑠
A análise a seguir deve considerar os possíveis critérios de paridade:
→ Paridade elétrica: deve-se garantir que
A análise, neste momento, parará aqui para não antecipar a discussão tecnológica dos possíveis 
valores que podem ser assumidos para h3 (depende de P3 e T3) – lembrando que nesta paridade não 
há obrigação de garantir os valores demandados de vazão dos pontos 4 e 5!
→ Paridade térmica: deve-se garantir que os 6 kg/s a 1,2 MPa e 240°C do processo P1 e os 14 kg/s a 0,7 MPa 
e 180°C do processo P2 sejam gerados e entregues.
A análise, neste momento, parará aqui para não antecipar a discussão tecnológica dos possíveis 
valores que podem ser assumidos para h3 (depende de P3 e T3) – lembrando que nesta paridade não 
há obrigação em garantir a geração da potência elétrica de 11 MW necessária para a fábrica!
ሶ𝑊𝑡𝑣 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4 − ሶ𝑚5ℎ5 = 11570 (𝑘𝑊)