TURBO GERADOR A PARAFUSO HELICOIDAL – GERANDO ENERGIA ELÉTRICA COM VAPOR SATURADO

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A Engenharia transformando ideias em soluções inteligentes 
Anais do 2° COEN – Congresso de Engenharias – Universidade Federal de São João del-Rei – MG 
Anais do 12° CONEMI – Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial 
TURBO GERADOR A PARAFUSO HELICOIDAL – GERANDO ENERGIA 
ELÉTRICA COM VAPOR SATURADO 
 
MSc. Marcos Luiz de Macedo Rodrigues 
(1)
 (mlmrod@uol.com.br) 
 
(1) Enersolution Consultoria em Energia Ltda; Diretoria Técnica 
 
RESUMO: O vapor saturado é utilizado em diversos segmentos industriais tais como alimentício e 
químico. principalmente em sistemas de aquecimento e secagem. Existe a necessidade de se reduzir a 
pressão de geração para diversos processos, sendo que as perdas exergéticas são desconsideradas. O 
Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal produz energia elétrica e reduz a pressão de vapor saturado. 
O primeiro equipamento a operar fora da China foi instalado em Minas Gerais no Brasil. Sua 
operação industrial iniciou em Abril de 2012. Utilizando a Segunda Lei da Termodinâmica o 
resultado alcançado reduz as perdas exergéticas em 65,4% produzindo 250 kW. Ocupa pequeno 
espaço, não necessita de combustível para gerar energia elétrica, absorve variações de pressão e 
vazão, trabalha a baixas pressões e simples operação são algumas das vantagens de sua utilização. A 
oportunidade na sua aplicação é aproveitar o calor residual dos processos que utilizam vapor 
saturado a baixas pressões. O Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal se apresenta como uma 
tecnologia simples e de fácil aplicação com resultados motivadores. 
 
PALAVRAS-CHAVE: Cogeração, parafuso helicoidal, geração de energia. 
 
TURBO GENERATOR COIL SCREW – ELECTRICITY GENERATING WITH 
SATURATED STEAM 
 
ABSTRACT: Saturated steam is used in other industrial sectors such as food and chemical, 
especially in drying and heating systems. There is a need to reduce the pressure of business processes 
for generations, that the loss exergetic are disregarded. The Turbo Generator Coil Screw produces 
electricity and reduces pressure saturated steam. First equipment to operate out of China has been 
installed in Minas Gerais in Brazil. Its industrial operation began in April 2012. Using a Second Law 
of Thermodynamics reduces the result reached in losses exergetic 65,4% in producing 250 kW. Takes 
little espace, no need of fuel to generate electric energy, absorb pressure and flow variations, work at 
low pressures and simple operation are some of the advantages of use. The opportunity of your 
applications is getting the heat of residual process using saturated steam al low pressures. The Turbo 
Generator Coil Screw technology presents as a simple and easy to use with results motivate. 
 
KEYWORDS: Cogeneration, coil screw, power generation. 
 
 
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12° CONEMI 
São João del-Rei, Minas Gerais, 02 a 05 de Outubro de 2012 
 
 
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1. INTRODUÇÃO 
 
Em diversas aplicações industriais o vapor saturado é utilizado principalmente em 
sistemas de troca térmica. Existem equipamentos e processos onde se necessita de 
aquecimento, cocção, secagem, esterilização, evaporação e diversas outras etapas no processo 
produtivo que necessitam deste fluido. 
Os segmentos onde se utiliza vapor saturado de forma intensiva são o alimentício 
(açúcar, carnes, cerveja, laticínios, soja, sucos, tomate etc), celulose, farinhas, farmacêutico, 
madeira, metalurgia (Alumínio, Carbonato de Cálcio, Cobre, Níquel, Zinco), papel, papelão, 
químicas, têxtil, dentre outros. 
Os geradores de vapor saturado são também chamados de “caldeiras” e para estas 
aplicações citadas são do tipo flamotubulares. Os mesmos são assim chamados devido aos 
gases da queima de um combustível passarem por dentro de tubos. Possuem formato 
cilíndrico e produzem vapor a uma capacidade de 500 kg/h a 30.000 kg/h de vapor saturado. 
Um exemplo de caldeira flamotubular pode ser visto na Figura 1. 
 
 
FIGURA 1. Caldeira Flamotubular típica 
 
 
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A pressão de vapor na geração nas caldeiras flamotubulares varia normalmente de 7,0 
a 25,0 bar sendo a temperatura de saturação respectivamente, 169,6 ˚C e 225,0 ˚C. 
 
2. REDUÇÃO DE PRESSÃO E SUA IRREVERSIBILIDADE 
 
Em alguns equipamentos que utilizam o vapor saturado se necessita de reduzir a 
pressão do mesmo. Os motivos principais são os seguintes: (i) os equipamentos não suportam 
a pressão de geração de vapor e/ou (ii) o processo necessita de uma temperatura abaixo do 
vapor gerado na caldeira. 
Para uma redutora onde se tem a pressão a montante de 1,03 MPa, a jusante de 0,63 
MPa e a pressão de referencia de 0,1 MPa, têm-se as seguintes propriedades termodinâmicas: 
 
TABELA 1. Propriedades termodinâmicas. 
Pressão (MPa)
a 
Entalpia (kJ/kg) Entropia (kJ/kg K) 
1,03 2778,2 6,5751 
0,63 2758,1 6,7435 
0,1 71,36 0,2533 
 
a
 – Pressão absoluta 
 
Para se quantificar as irreversibilidades (perdas internas e ineficiências) será utilizada 
a Segunda Lei da Termodinâmica buscando inclusive a identificação do potencial 
termodinâmico de um fluxo. 
(RODRIGUES, 2009) “Segundo Cuadra e Capilla (2001), em um ciclo termodinâmico 
existe a necessidade de se quantificar a máxima energia disponível para cada fluxo, visando 
identificar os fluxos com maior capacidade de realização de trabalho. Esta energia disponível 
é chamada de Exergia”. Na equação 1, é definida a exergia de um fluxo: 
 
    000 . SSTHHB f  (1) 
 
Onde: 
fB
= Exergia do fluxo; 
H
e 
0H
= Entalpia do fluxo e Entalpia do ambiente de referência; 
0T
= Temperatura de ambiente de referência; 
S
e 
0S
= Entropia do fluxo e Entropia do ambiente de referência. 
 
 
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A disponibilidade de cada ponto de entrada e saída de determinado volume de 
controle é definida por: 
 
   01001 . ssThha f 
 (2) 
Onde: 
fa
= Disponibilidade específica; 
0h
, 
0T
 e 
0s
= Entalpia específica, temperatura e entropia específica nas condições do ambiente 
de referência. Foi adotada a temperatura de 290,0 K e a pressão de 0,1 MPa; 
1h
= Entalpia específica na entrada de vapor da válvula redutora; 
1s
= Entropia específica na entrada de vapor da válvula redutora. 
 
Ao se comparar as equações 1 e 2, encontra-se a equação 3: 
 
 
fff maB .
 (3) 
 
Onde: 
fm
= Vazão mássica do fluxo. Adota-se 5,55 kg/s (20.000 kg/h). 
 
 Conforme Cuadra e Capilla (2001), para definir a relação de Fuel-Produto de cada 
subsistema é necessário seguir as seguintes regras: 
(i) Todos os fluxos que entram ou saem de um subsistema podem estar mencionados 
uma única vez no fuel, no produto ou nas perdas; 
(ii) Cada fluxo ou combinação de fluxos que constituem o fuel, o produtoe a perda de 
cada subsistema deve ter um valor de exergia maior ou igual à zero; 
(iii)O balanço de exergia de cada subsistema pode ser descrito como: 
 
 
0 LPFI
 (4) 
 
Onde: 
I = Irreversibilidade; 
 
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F = Fuel ou recurso; 
P = Produto ou resultado; 
L = Perda. 
 
 Ao se substituir os valores citados nas equações de 1 a 4, encontram-se os seguintes 
resultados: 
Exergia na entrada da redutora de pressão = B1 = F = 4.847,9 kW; 
Exergia na saída da redutora de pressão = B2 = P = 4.465,5 kW; 
Irreversibilidade = I = 382,4 kW. 
 
3. TURBO GERADOR A PARAFUSO HELICOIDAL 
 
 A empresa Jiangxi Hua Dian Electric Power Co., Ltd é localizada na China e 
desenvolveu o Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal. O mesmo possui como componente 
básico um par de parafusos helicoidais e uma carcaça. 
 O vapor saturado ao percorrer o par de parafusos helicoidais reduz a sua pressão e a 
sua expansão volumétrica movimenta os dois elementos helicoidais. Como mostrado na 
Figura 2, o vapor entra no sulco A e percorre as posições B, C e D até sair pelo sulco E em 
um processo continuo. Na Figura 3 é mostrado uma foto do par de parafusos helicoidais. 
 
 
 FIGURA 2. Fluxo de vapor FIGURA 3. Foto do par de parafusos helicoidais 
 pelo par de parafusos 
 
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 As vantagens da utilização do Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal são diversas, 
sendo que se destacam as seguintes: 
 Não necessita de combustível para gerar energia elétrica; 
 Recupera calor residual; 
 Aplicável a vapor saturado com qualquer Título; 
 Aceita baixas pressões de operação; 
 Aplicável a vapor de fluidos refrigerantes; 
 Absorve variações de pressão e vazão; 
 Montagem modular ocupando pequeno espaço; 
 Modelos aplicáveis a variadas vazões de vapor (3 a 200 ton/h); 
 Operação simples; 
 Fácil manutenção. 
 O par de parafusos helicoidais (SEPG) é montado em um chassi com uma válvula de 
fecho rápido, uma válvula de controle na entrada, um tanque de óleo de lubrificação, uma 
bomba de óleo lubrificante, um trocador de calor de placa para resfriamento do óleo, um 
redutor, um gerador elétrico e um painel de controle elétrico. Na Figura 4, podem-se verificar 
estes itens montados. 
 
 
 FIGURA 4. Composição básica 
 
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 Suas características técnicas são as seguintes: 
 Pressão de acionamento: de 0,30 a 2,5 MPa; 
 ΔP (diferença de pressão entre entrada e saída): de 0,4 a 1,5 MPa; 
 Temperatura de vapor saturado: 143 a 226˚C; 
 Potência gerada: 1 a 3.000 kW. 
 O primeiro Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal montado fora da China está em 
operação em Minas Gerais desde Abril de 2012, gerando em torno de 250 kW. Nas Figuras 5 
e 6 podem-se verificar os detalhes de sua instalação. 
. 
 
FIGURA 5. Detalhes da instalação FIGURA 6. Foto do Parafuso Helicoidal 
 
 Refazendo os cálculos do item 2 acima, tem-se que a Irreversibilidade reduz para 
132,4 kW, com a geração de 250 kW no Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal. 
 
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4. CONCLUSÕES 
 
 O Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal em aplicações de redução de pressão com 
vapor saturado se mostra uma solução viável, pois gera energia elétrica sem consumo de 
combustível. 
 A irreversibilidade reduziu de 382,4 kW para 132,4 kW, ou seja 65,4%. Ou seja, as 
perdas reduziram de 7,9% da exergia disponível para 2,7%. 
 Para a empresa que implantou o equipamento a economia de energia por ano é em 
torno de 2.300 MWh, o que projeta uma valor de aproximadamente R$500.000,00 de redução 
no custo da energia elétrica ao ano. 
 Deve-se ressaltar que nos cálculos acima realizados se adotou um Título de 100%. 
Esta simplificação pode ser adotada, já que a pressão de vapor saturado na entrada do 
equipamento apresenta uma pequena perda de carga em relação a pressão de geração de 
vapor. Ou seja, existe estabilidade de pressão e velocidades compatíveis do vapor saturado 
nas tubulações. 
 Concluindo, o Turbo Gerador a Parafuso Helicoidal se apresenta como uma tecnologia 
simples e de fácil aplicação com resultados motivadores. 
 
REFERÊNCIAS 
 CUADRA, C. T. e CAPILLA, A. V. Curso de Doctorado. Termoeconomia. Dpto. 
Engeniería Mecánica. Universidad de Zaragoza. España. 100p. 2000. 
 HD ENERGIA VERDE. Belo Horizonte: Minas Gerais, 2012. Disponível em: 
<http://www.hdenergiaverde.com>. Acesso em: 16 ago. 2012. 
 OLAND, C., B., Guide to Combined Heat and Power Systems for Boilers Owners and 
Operators, Oak Ridge, Tennessee, 2004. 
 RODRIGUES, M. L. M. Estudo técnico-econômico da implantação da cogeração em 
pequena escala a biomassa em uma indústria. Dissertação de Mestrado em Engenharia 
Mecânica (Sistemas Térmicos e Fluidos) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, 
185 p., 2009.