UNESP - Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Guaratinguetá 2012 FELIPE MARIN CARNEIRO Projeto de Recuperação da Planta Termelétrica do Laboratório de Vapor do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Trabalho de Graduação apresentado ao Conselho de Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Graduação em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. José Alexandre Matelli Guaratinguetá 2012 C289p Carneiro, Felipe Marin Projeto de Recuperação da Planta Termelétrica do Laboratório de Vapor do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá / Felipe Marin Carneiro – Guaratinguetá : [s.n], 2012. 59 f : il. Bibliografia: f. 56-58 Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2012. Orientador: Prof. Dr. José Alexandre Matelli 1. Vapor I. Título CDU 621.6.02 DEDICATÓRIA Dedico esse trabalho à toda a minha Família. Em especial aos meus pais Celso e Ednéia e aos meus irmãos Milene, Tiago e Camila. Pessoas que sempre me ensinaram que estudar é apenas o primeiro passo para o sucesso na vida. AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus e aos Espíritos Bons que sempre me acompanharam durante essa jornada. Agradeço pela saúde, força, paciência, inteligência, sabedoria que me foram dadas. Agradeço à minha família, em especial aos meus pais Celso e Ednéia, que me mostraram que não há obstáculos que eu não seja capaz de superar e alcançar tudo o que eu desejar. Agradeço às minhas irmãs Milene e Camila pelo apoio dado. Ao meu irmão Tiago, também engenheiro mecânico, que sempre me mostrou os rumos da engenharia, me direcionando para as áreas mais promissoras. Agradeço aos meus avós Antônio Miguel e Iracema Marin, que com certeza continuam me protegendo. Ao meu avô Antônio Hernandes, que demonstrou que a calma e a paciência são fundamentais. E a minha avó Helena que sempre acreditou em mim. Agradeço também aos meus tios e tias, primos e primas. Em especial à tia Jeanette pela confiança e a minha prima Kátia, que também viveu a experiência de estudar na UNESP. Ao meu orientador Professor José Alexandre Matelli pelo conhecimento passado e a dedicação para tornar este trabalho realidade. E a todo o Departamento de Energia da FEG, que me fizeram despertar um grande interesse por esse ramo da engenharia. Gostaria de deixar um especial agradecimento a todos os amigos que fiz em Guaratinguetá, colegas de faculdade, em especial à Luana Passos, Anderson Tandello e ao Gabriel Feijóo pelo companheirismo de tantos anos. Aos professores e técnicos da faculdade que tanto me ensinaram. Agradeço muito a todos os moradores da república Xanadu, com quem dividi bons e maus momentos nos tornando uma família. Levarei a amizade de todos para o resto de minha vida. Em especial ao Giulio Carlo Lobato (Juelho) e ao Rodrigo Peixoto Akel (Mc Lovin’) pelas longas conversas que tivemos sobre os mais variados assuntos. Por fim gostaria de agradecer a Dona Flan, nossa mãe de Guará sempre dedicada e preocupada com todos os moradores da república, apesar do trabalho que damos diariamente para ela. EPÍGRAFE “A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original.” Albert Einstein CARNEIRO, Felipe M. Projeto de Recuperação da Planta Termelétrica do Laboratório de Vapor do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. Trabalho de Graduação (Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2012. RESUMO O Brasil é atualmente a grande aposta dos investidores, devido ao crescimento e estabilidade da sua economia. O crescimento de um país vem sempre acompanhado de uma demanda maior por energia elétrica. O apelo internacional pelo uso de fontes renováveis vem causado uma mudança na matriz energética brasileira, aumentando a parcela de geração elétrica pelas usinas termelétricas. A construção de novas usinas, movidas principalmente à biomassa, requer um número cada vez maior de funcionários treinados e capacitados para operá-las. A Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – UNESP – dispõe de um Laboratório de Vapor, atualmente desativado, que possui uma usina termelétrica de pequeno porte. A reforma do laboratório e o retorno de suas atividades pode ser uma importante ferramenta para a formação de Engenheiros aptos a trabalhar nessas unidades. O presente trabalho propõe quatro novos ensaios para serem realizados no Laboratório de Vapor do Departamento de Energia da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá quando este retornar as suas atividades didáticas. PALAVRAS-CHAVE: geração de vapor, geração termelétrica; experimentos didáticos. CARNEIRO, Felipe M. Project of Recovery of a Thermoelectric Plant of the Steam Laboratory of Energy Department in the Faculty of Engineering Guaratinguetá. Graduation Thesis (Mechanical Engineering) – Faculty of Engineering Campus Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2012. ABSTRACT Brazil is nowadays the greatest bet of investors for the future due to its stable economy growth. The country has grown side by side with the greatest demand for electrical energy. The international appeal for renewable sources is causing a change in the Brazilian energetic matrix, raising the amount of energy generated by thermoelectric power plants. The construction of new power plants, running on biomass, requires a crescent number of capacitated personnel to run them. The Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – UNESP – has a steam laboratory; witch is deactivated, which has a thermoelectric plant of small capacity. The laboratory reactivation and the return of its activities can be an important tool in order to graduate engineer able to operate on such units. This paper proposes four new experiments to be simulated on the Collage’s Energy Dep. Steam Lab when it gets back to its educational activities. KEYWORD: steam generation, thermoelectric generation, educational activities. SUMÁRIO LISTA DAS FIGURAS ................................................................................................ 12 LISTA DAS TABELAS ............................................................................................... 13 1. INTRODUÇÃO: .................................................................................................... 14 1.1 ANÁLISE DAS AULAS PRÁTICAS NO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA: ............................................................................................................. 14 1.2 O PROBLEMA DE FUNCIONÁRIOS NÃO CAPACITADOS: .............. 15 1.3 GERAÇÃO TERMELÉTRICA NO BRASIL: ........................................... 17 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: ........................................................................... 21 2.1 CICLO RANKINE: ....................................................................................... 21 2.2 EQUIPAMENTOS USADOS NO CICLO RANKINE: ............................. 23 2.2.1 BOMBA: .................................................................................................. 23 2.2.2 CALDEIRA: ........................................................................................... 24 2.2.3 A TURBINA: .......................................................................................... 26 2.2.4 O CONDENSADOR: ............................................................................. 28 2.3 MANUTENÇÃO INDUSTRIAL: ................................................................ 28 2.3.1 MANUTENÇÃO CORRETIVA: .......................................................... 29 2.3.2 MANUTENÇÃO PREVENTIVA: ........................................................ 29 2.3.3 MANUTENÇÃO PREDITIVA: ............................................................ 29 3. METODOLOGIA: ................................................................................................ 30 3.1 VISITA INICIAL AO LABORATÓRIO: ................................................... 30 3.2 ANÁLISE E ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS: ...................................... 31 3.2.1 O CICLO DE VAPOR: .......................................................................... 31 3.2.2 BOMBA: .................................................................................................. 32 3.2.3 CALDEIRA: ........................................................................................... 33 3.2.4 SUPERAQUECEDOR: .......................................................................... 35 3.2.5 TURBINA A VAPOR: ........................................................................... 37 3.2.6 CONDENSADOR: ................................................................................. 38 3.2.7 TORRE DE RESFRIAMENTO: .......................................................... 40 3.2.8 GERADOR ELÉTRICO: ...................................................................... 42 3.2.9 BANCADA DE DISSIPAÇÃO: ............................................................. 44 4. RESULTADOS: .................................................................................................... 44 4.1 EXPERIMENTO 1: ....................................................................................... 45 4.2 EXPERIMENTO 2: ....................................................................................... 48 4.3 EXPERIMENTO 3: ....................................................................................... 50 4.4 EXPERIMENTO 4: ....................................................................................... 52 5. CONCLUSÃO: ...................................................................................................... 55 REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 56 ANEXO 1 ............................................................................................................... 59 12 LISTA DAS FIGURAS Figura 1 - Usinas Termelétricas por Tipo de Combustível. ....................................................... 19 Figura 2 - Mapa de Localização das Usinas Movidas a Bagaço de Cana. ................................. 20 Figura 3 - Esquema do Ciclo Rankine ....................................................................................... 22 Figura 4 - Diagrama T x s do Ciclo Rankine ............................................................................. 23 Figura 5 - Bomba ....................................................................................................................... 24 Figura 6 - Esquema de Funcionamento de uma Caldeira ........................................................... 25 Figura 7 – Caldeira ..................................................................................................................... 25 Figura 8 - Representação de Turbina de Contrapressão. ............................................................ 26 Figura 9 - Representação de Turbina de Condensação. ............................................................. 27 Figura 10 – Condensador ........................................................................................................... 28 Figura 11 - Laboratório de Vapor do DEN em Março de 2012. ................................................ 30 Figura 12 - Ciclo Termodinâmico do Laboratório de Vapor do DEN ....................................... 31 Figura 13 - Bomba do Laboratório de Vapor do DEN. .............................................................. 32 Figura 14 - Caldeira do Laboratório de Vapor do DEN. ............................................................ 34 Figura 15 - Superaquecedor do Laboratório do DEN ................................................................ 35 Figura 16 - Turbina a Vapor do Laboratório de Vapor do DEN. ............................................... 37 Figura 17 - Condensador do Laboratório de Vapor do DEN. .................................................... 38 Figura 18 - Torre de Resfriamento de Água do Laboratório de Vapor do DEN. ....................... 40 Figura 19 - Esquema dos Fluxos de Água e Ar em Uma Torre de Resfriamento. ..................... 41 Figura 20 - Gerador do Laboratório de Vapor do DEN. ............................................................ 43 Figura 21 - Bancada de Dissipação do Laboratório de Vapor do DEN. .................................... 44 Figura 22 - Fluxo de Potência entre Fontes e Cargas Elétricas. ................................................. 53 13 LISTA DAS TABELAS Tabela 1 - Carga horária do curso de Engenharia Mecânica Integral da FEG (Sistema Seriado, início 2007). ..................................................................................................... 14 Tabela 2 - Carga horária do curso de Engenharia Mecânica por Universidade. ........... 15 Tabela 3 - As Dez Maiores Usinas Termelétricas Brasileiras em Capacidade de Geração ........................................................................................................................................ 18 Tabela 4 - Localização das Usinas Termelétricas Brasileiras ....................................... 19 14 1. INTRODUÇÃO: Este trabalho de graduação tem como objetivo estudar o projeto de recuperação da planta de vapor do laboratório do Departamento de Energia (DEN), visando, principalmente, propor novos ensaios para as futuras aulas no laboratório e um projeto de uma nova bancada de dissipação da energia elétrica gerada na planta. 1.1 ANÁLISE DAS AULAS PRÁTICAS NO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA: Sabe-se da dificuldade que há entre engenheiros recém-formados para praticarem os conhecimentos teóricos adquiridos durante a graduação. As faculdades dão uma maior importância para o ensino teórico e deixam um pouco de lado as aulas práticas (informação verbal)1. Como exemplo disso está o fato de a Planta Termelétrica do Laboratório de Vapor do DEN, instalada na década de 1970, estar completamente desativada desde o ano 2005. Demonstrando isto, a Tabela 1 apresenta uma relação entre as aulas práticas e teóricas do curso de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá: Tabela 1 - Carga horária do curso de Engenharia Mecânica Integral da FEG (Sistema Seriado, início 2007). Ano Carga Teórica (h) Carga Prática (h) TOTAL (h) 1º Ano 600 120 720 2º Ano 840 270 1110 3º Ano 870 480 1350 4º Ano 690 390 1080 5º Ano 675 120 795 TOTAL (h) 3675 1380 5055 Analisando a Tabela 1, percebe-se que o curso de Engenharia Mecânica da FEG analisado (sistema seriado com início em 2007) apresenta 27,3% de aulas práticas. A maior carga de laboratórios se encontra basicamente no terceiro e quarto ano, enquanto que, em contrapartida, o primeiro e último ano apresentam o menor índice, 20,0 % e 17,8 % respectivamente. _________________________________ 1 Informação fornecida por A. Pancieira, por comunicação pessoal na FEIMAFE 2012, em São Paulo, em março de 2012. 15 Este não é um problema apenas desta faculdade. A Tabela 2 apresenta a porcentagem de aulas práticas em outros cursos de Engenharia Mecânica: Tabela 2 - Carga horária do curso de Engenharia Mecânica por Universidade. Universidade Campus (Cidade) Porcentagem de Aulas Práticas (%) UNESP Guaratinguetá - SP 27,3 MAUÁ São Caetano do Sul - SP 25,0 FEI São Bernardo do Campo - SP 24,1 UNICAMP Campinas – SP 22,3 USP São Carlos - SP 20,1 UNIFEI Itajubá – MG 17,9 USP POLI – São Paulo - SP 15,9 Média: 21,8 Analisando a Tabela 2, observa-se que o curso de Engenharia Mecânica da FEG apresenta a maior porcentagem de aulas práticas entre os cursos pesquisados. Em segundo lugar ficou o Instituto Mauá de Tecnologia, que em 2012 lançou uma série de propagandas com o slogan “a diferença entre aprender e aprender na prática”. O Curso da Faculdade de Engenharia Industrial, muito conhecido pela grande qualidade de seus formandos, apresenta a terceira posição. Já a POLI-USP apresenta o pior índice dentre os cursos pesquisados. Dessa forma, chega-se à conclusão de que a falta de aulas práticas é um problema de caráter generalizado, que atinge tanto as universidades públicas (federais e estaduais) quanto instituições particulares. Sendo assim, torna-se válida toda e qualquer forma de aumento da carga horária de aulas práticas nesses cursos, assim como o aperfeiçoamento das aulas já existentes. 1.2 O PROBLEMA DE FUNCIONÁRIOS NÃO CAPACITADOS: A carência de aulas práticas nos cursos de Engenharia Mecânica (não apenas nesse curso, mas em qualquer outra forma de ensino) leva à qualificação deficiente dos profissionais, principalmente daqueles recentemente formados. Uma maneira de contornar esse problema é a realização de treinamentos, cursos e preparações para que o profissional atinja o nível de conhecimento requerido em suas atividades profissionais. 16 Essa saída gera atrasos e custos devido à baixa produtividade, falta de qualidade e com os próprios treinamentos que, em algumas ocasiões, são realizados também no exterior. A reportagem abaixo faz um paralelo entre a falta de profissionais capacitados e o desemprego: A crise mundial está no final de seu inicio ou no inicio de seu final. Mesmo com a volta da expectativa do crescimento econômico neste segundo semestre, grandes empresas como Petrobras, Usiminas e Vale divulgando milhões de Reais em investimentos, a taxa de desemprego poderia ser menor se as empresas encontrassem a mão de obra que procuram. O País precisa de uma melhoria significativa no seu sistema educacional preparando as novas gerações de trabalhadores para a versatilidade do mundo moderno. (...) É imprescindível que o governo e as empresas invistam em melhorar a qualidade da mão de obra, buscando capacitar cada vez mais a sua ferramenta mais valiosa: seus funcionários. Hoje o empresariado descobriu o filão que é a criação de novas universidades. O retorno financeiro que tais empresas proporcionam é imediato com investimentos modestos. Uma consequência deste procedimento é o despreparo das universidades em produzir profissionais capacitados para o mercado. Novos cursos superiores com períodos acadêmicos menores ou em finais de semana que apenas oferecem um diploma universitário são comuns na maioria das capitais do país. O que podemos perceber é que de um lado falta emprego para a maioria da população e do outro falta profissionais qualificados para as empresas contratarem. A solução está nos investimentos em cursos que possam capacitar nossos funcionários a entrar de vez no mercado de trabalho. Cursos profissionalizantes além de preparar o estudante para o mercado atual são mais rápidos e baratos. Por se tratar de curso com foco profissional, ele devolve ao mercado em muito pouco tempo o profissional com o perfil que o próprio mercado exige. (..) Perde-se tempo e dinheiro por não se fazer entender projetistas, encarregados e ou lideres de equipes. A dificuldade que um profissional desqualificado tem para ler um desenho, interpretar uma planta, raciocinar com lógica e principalmente saber fazer contas, pode gerar desperdícios de tempo e materiais que inviabilizam um empreendimento. Tais funções não podem estar somente a cargo do gestor de contrato. (..) Não adianta o País formar centenas de alunos em cursos superiores a cada ano se eles não têm conhecimento suficiente para comandar ou gerenciar um empreendimento. Caso tenhamos uma safra maior de profissionais capacitados por cursos técnicos e ou profissionalizantes, diminuiremos as diferenças intelectuais nos canteiros de obras, fábricas e empresas prestadoras de serviços. (..) [nas instituições de ensino] Quando tem alunos faltam professores, quando tem professores e alunos falta alimentação e quando tem estrutura para receber 17 futuros profissionais faltam verbas para a sua manutenção. Enquanto o governo não resolver assumir sua responsabilidade social no que tange a criação de novos postos de emprego e criar condições para que o setor privado viabilize tais investimentos através da possibilidade de capacitar um futuro funcionário e diminuindo sua carga de tributos, isso não será possível. Diante de uma absurda tributação às empresas, somente incentivos fiscais poderiam alterar esse quadro. Não adianta distribuir cestas básicas, vales alimentação e demais programas sociais sem a manutenção da maior fonte de riqueza do povo: sua capacidade de trabalhar. (CASTRO, 2009) Atualmente muitas empresas estão investindo em automatização dos seus processos. Desta forma não dependerão mais da baixa qualidade do profissional que entra no mercado de trabalho. A automatização dos processos é um procedimento muito custoso, mas vem se tornando mais eficiente do que os investimentos em treinamentos de funcionários. (informação verbal)1. 1.3 GERAÇÃO TERMELÉTRICA NO BRASIL: O laboratório de vapor do DEN tem uma pequena usina termelétrica de geração de energia. Na matriz brasileira, esse tipo de geração representa aproximadamente um quarto da capacidade do País, só perdendo para a modalidade hidrelétrica, hoje predominante, com 70% do total da produção. Segundo a Aneel (2010) existem 1384 usinas termelétricas em operação no Brasil. Dados que justificam ainda mais a retomada das atividades do laboratório. Para mostrar a tamanha importância da geração termelétrica no Brasil, a Tabela 3 apresenta as dez maiores Usinas Termelétricas em capacidade (MW) instaladas no país (ANEEL, 2010). _________________________________ 1 Informação fornecida por R. Falvo, por comunicação pessoal na Siemens, em São Paulo, em 2012. 18 Tabela 3 - As Dez Maiores Usinas Termelétricas Brasileiras em Capacidade de Geração Posição Empresa Cidade Combustível Capacidade (MW) 1 Petrobras Duque de Caxias - RJ Gás Natural 1058,3 2 Furnas Rio de Janeiro - RJ Gás Natural 1000,0 3 Petrobras Macaé - RJ Gás Natural 922,6 4 Termelétrica Norte Fluminense Macaé - RJ Gás Natural 868,9 5 AES Uruguaiana Uruguaiana - RS Gás Natural 639,9 6 Termopernanbuco Ipojuca - PE Gás Natural 532,7 7 Empresa Produtora de Energia Cuiabá - MT Gás Natural 529,2 8 Petrobras Araucária - PR Gás Natural 484.1 9 Baixada Santista Energia São Paulo - SP Óleo Combustível 470,0 10 Cia de Geração Termelétrica de Energia Elétrica Candiota - RS Carvão mineral 446,0 Observando a Tabela 3, conclui-se que o gás natural é o mais significativo na listagem das maiores usinas brasileiras em capacidade, sendo que 8 delas utilizam esse combustível. Maior destaque para a Petrobras, que possui quatro das maiores entre as dez. Apenas uma usina de óleo diesel aparece nessa listagem. A décima posição é ocupada também por um combustível fóssil diferente do gás natural. A Cia de Geração de Energia Termelétrica de Energia Elétrica utiliza carvão mineral, favorecida por estar instalada no município de Candiota - RS, um dos maiores produtores de carvão no Brasil. A Tabela 4 apresenta a localização das Usinas Termelétricas por regiões do Brasil: 19 Tabela 4 - Localização das Usinas Termelétricas Brasileiras Região Porcentagem (%) Quantidade Sudeste 43 604 Norte 26 357 Nordeste 13 179 Sul 10 134 Centro-Oeste 8 107 Com relação à Tabela 4, observa-se que as usinas termelétricas estão altamente concentradas no Sudeste e no Norte do Brasil. Dados da Aneel (2010) indicam que as termelétricas usam predominantemente combustíveis fósseis (70% delas), com destaque para o óleo diesel, adotado em 829 das 1384 usinas em operação seguido pelo gás natural (6,7% do total). Um terço das usinas adota a biomassa como combustível. O bagaço de cana é o mais usado nessa categoria, com 315 usinas que utilizam esse combustível. Trata-se de uma modalidade de usina concentrada em São Paulo, onde estão 54% das operações que usam o bagaço em suas caldeiras. A Figura 1 apresenta um panorama da quantidade de usinas que utilizam determinada categoria de combustível. Figura 1 - Usinas Termelétricas por Tipo de Combustível. Fonte: Revista Grandes Construções, 2010. 20 Observando a Figura 1, percebe-se como ainda é forte a presença dos combustíveis fósseis no cenário energético do Brasil, destacando-se o óleo diesel. As usinas que utilizam diesel nas suas caldeiras superam, em quantidade de usinas, todas as outras formas de combustível (que somam 553 usinas ante 829 queimando óleo diesel). Esse papel de destaque deve-se principalmente à facilidade de obtenção do diesel. Como ele é utilizado em muitos veículos como caminhões e ônibus, o diesel pode ser encontrado em praticamente qualquer posto de combustível. Sendo assim, o óleo diesel se torna o combustível de mais fácil acesso para as pequenas centrais termelétricas como aquelas existentes em hospitais, shoppings e hotéis. Outro fator que favorece o uso do diesel é a Conta de Consumo de Combustível (CCC). A CCC é um encargo do setor elétrico brasileiro, cobrado pelas empresas concessionárias de distribuição e de transmissão de energia elétrica para subsidiar os custos da geração termelétrica no Brasil, principalmente na região Norte. Essa região não faz parte do Sistema Interligado Nacional, sendo atendida pelos chamados "sistemas isolados" (ELETROBRAS, 2012). Também merece uma atenção especial as usinas que utilizam biomassa como combustível. Apesar de representar apenas um terço da produção de energia termelétrica no Brasil, o uso da biomassa vem crescendo ano após ano e conta como grande representante o bagaço de cana, com 81% de participação. Os resíduos de madeira aparecem em segundo lugar, com apenas 36 usinas do total de 388 movidas à biomassa. O bagaço de cana detém 315 usinas. A Figura 2 ilustra a localização das usinas termelétricas que utilizam o bagaço de cana como combustível. Figura 2 - Mapa de Localização das Usinas Movidas a Bagaço de Cana. Fonte: Revista Grandes Construções, 2010. 21 A figura 2 realça a importância do bagaço de cana como combustível nas usinas termelétricas. Prova disso é a forma dispersa da localização dessas usinas. Elas estão presentes em 16 dos 26 Estados brasileiros. Ainda assim, o Sudeste é a região que detém a maior parte dessas usinas, são 203 do total de 315. Sendo que a maioria delas fica no Estado de São Paulo, estado conhecido historicamente pela grande produção de açúcar, cerca de 60% da produção nacional atual. A recente inauguração de outras oito novas usinas movidas a bagaço de cana, no interior de São Paulo, confirma a vocação do Estado. Juntas elas somam uma capacidade de 543 MW de potência instalada. Os investimentos totalizaram R$ 993 milhões (R.G.C., 2010). Outras matérias que também se destacam como combustível é a casca de arroz e o licor negro, respectivamente, da produção das beneficiadoras de arroz e das produtoras de celulose. As usinas movidas a casca de arroz, localizadas principalmente no Estado do Rio Grande do Sul, são usadas basicamente para fornecer energia elétrica para as próprias indústrias beneficiadoras. A mesma tendência é observada nas termelétricas a licor negro, um subproduto da indústria de celulose. Todos os dados apresentados até aqui comprovam a importância que as usinas termelétricas apresentam no cenário brasileiro. Esse é um segmento que cresce dia após dia, demandando profissionais capacitados para o gerenciamento, manutenção e operação dessas usinas. Aí está a importância de termos um laboratório de vapor que possa formar profissionais capacitados para essas oportunidades. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: Para uma melhor compreensão dos resultados obtidos nesse trabalho, torna-se necessária uma breve revisão bibliográfica abordando os fundamentos da Termodinâmica clássica e alguns conceitos de manutenção industrial. 2.1 CICLO RANKINE: O ciclo Rankine é um ciclo ideal de potência baseado em quatro processos que ocorrem em regime permanente. O fluido de trabalho é a água, ora em estado líquido ora como vapor saturado ou superaquecido, que escoa por quatro componentes: bomba, caldeira, turbina e condensador (WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1994). A figura 3 ilustra esquematicamente o ciclo Rankine: 22 Figura 3 - Esquema do Ciclo Rankine Fonte: WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1994. O processo de 1 para 2 é um bombeamento adiabático. A bomba é responsável por alimentar a caldeira, elevando a pressão da água vinda de um tanque até a pressão de operação da caldeira. O processo de 2 para 3 é uma transferência de calor a pressão constante. A caldeira eleva a temperatura da água até a formação do vapor, fornecendo vapor superaquecido (no Laboratório de Vapor do DEN, o vapor saturado que sai da caldeira passa por um superaquecedor independente). O calor transferido para a água é proveniente de diversos combustíveis, como já discutido na seção 1.3. O processo de 3 para 4 é uma expansão adiabática. Esse processo acontece na turbina a vapor, onde a expansão do vapor faz o rotor da turbina girar, resultando em trabalho de eixo. Esse é o processo mais importante do ciclo, afinal o propósito do ciclo de Rankine é utilizar a energia proveniente do trabalho de eixo. Na geração de energia, a energia elétrica é gerada por um gerador acoplado ao eixo da turbina a vapor. O processo de 3 para 4 é uma transferência de calor a pressão constante. O condensador é responsável por tornar líquido o vapor a baixa pressão que sair da turbina. A figura 4 apresenta um diagrama temperatura por entropia, ilustrando os processos descritos anteriormente: 23 Figura 4 - Diagrama T x s do Ciclo Rankine Fonte: WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1994; modificado. O ciclo Rankine é o ciclo desenhado por 1-2-3-(3’)-4-(4’)-1. O ponto 3’ representa o ponto do vapor superaquecido, enquanto o ponto 3 representa vapor saturado. É importante notar que o vapor é superaquecido a uma pressão constante. Como o processo de expansão é adiabático e reversível. Se for usado vapor saturado o ciclo é representado por 1-2-3-4-1. Ao passo que se for usado vapor superaquecido o ciclo é representado por 1-2-3-3’-4’-1. O processo 3’-4’ é isentrópico. O mesmo vale para o processo de bombeamento (processo 1-2). 2.2 EQUIPAMENTOS USADOS NO CICLO RANKINE: Para melhor compreensão do ciclo Rankine, bem como a o processo de geração termelétrica, é interessante a apresentação de cada equipamento separadamente, deixando mais ilustrado como ocorrem os processos do ciclo. 2.2.1 BOMBA: A bomba é responsável pela alimentação de água na caldeira. A caldeira nunca pode ficar sem água, por isso a bomba se torna um equipamento fundamental no ciclo. Como a caldeira trabalha a pressão constante, a bomba deve ser dimensionada de tal forma a fornecer para a água no ponto 2 a pressão desejada para o vapor vivo (pontos 3 ou 3’ da figura 4). Para isso é preciso levar em conta as perdas de carga na caldeira, na tubulação, nas válvulas e nos acessórios, desde a saída da bomba até a entrada da turbina, mais as diferenças de altura entre esses equipamentos. 24 A figura 5 apresenta uma bomba de alimentação de uma caldeira industrial: Figura 5 - Bomba Fonte: KSB, 2012. A figura 5 apresenta uma bomba utilizada na alimentação de caldeiras de grande porte. Esse modelo, em particular, tem vazão de até 2.300 m3/h. As bombas podem ser centrífugas, de um ou múltiplos estágios, ou alternativas. O dispositivo mais comum de acionamento é por motores elétricos (como, por exemplo, a bomba da Figura 5), mas também são encontrados bombas por acionamento à pequenas turbinas a vapor, normalmente de único estágio. Esse último exemplo de acionamento é interessante, pois, uma vez a caldeira já funcionando, o vapor é um fluido com fornecimento assegurado desde que se feche um ciclo: “vapor da caldeira” → “turbina a vapor de acionamento da bomba” → “água de alimentação da caldeira”. Devido à grande importância das bombas de alimentação, as plantas termelétricas contam com duas bombas, uma principal e outra auxiliar. 2.2.2 CALDEIRA: A caldeira é o equipamento responsável pela maior parte da entrada de energia no ciclo de Rankine. A queima do combustível na fornalha gera calor que é transferido para a água até que essa se transforma em vapor saturado no evaporador (ponto 3). Após a passagem do fluido pelo superaquecedor o vapor está superaquecido (ponto 3’) e já é extraído da caldeira. A figura 6 representa um esquema de funcionamento convencional de uma caldeira. 25 Figura 6 - Esquema de Funcionamento de uma Caldeira Fonte: Notas de aulas de Máquinas Térmicas, Prof. José Antônio Perrella Balestieri – DEN, 2009. O esquema da figura 6 representa o funcionamento de uma caldeira. É importante notar que apesar da temperatura da fornalha atingir 1000°C e o superaquecedor 800°C, o vapor é extraído da caldeira a até 550°C. A figura 7 apresenta uma perspectiva de uma caldeira industrial. Esse modelo fornece até 300.000 kg/h de vapor a pressão de até 90,0 kgf/cm² e pode utilizar biomassa, gás natural ou óleo BPF como combustível. Figura 7 – Caldeira Fonte: Brumazi, 2012. 26 2.2.3 A TURBINA: As turbinas a vapor são turbomáquinas que operam com vapor de alta pressão na entrada, em condição superaquecida [ponto 3’ da figura 4] ou saturada [ponto 3 da figura 4] com título superior a 87%, expandindo-o até níveis mais baixos de energia [ponto 4 da figura 4]. A queda de pressão verificada durante a passagem do vapor no interior da turbina se deve à transferência da energia desse vetor energético para o eixo da turbina. Por efeito de força de reação o eixo se movimenta ante o choque com o vapor, gerando dessa forma energia mecânica (BALESTIERI, 2009). A conversão imediata de uma forma de energia em energia de movimento, sem etapas intermediárias, é a vantagem primária das turbinas. Pela rotação em regime permanente, todas as partes móveis se deslocam contínua e constantemente na mesma direção, sem mudanças bruscas de direção que poderiam causar tensões e desgastes (BALESTIERI, 2009). As turbinas podem ser divididas, basicamente, em dois tipos: turbinas de contrapressão e turbinas de condensação. A figura 8 apresenta, esquematicamente, uma turbina a vapor de contrapressão de múltiplos estágios: Figura 8 - Representação de Turbina de Contrapressão. Fonte: Siemens, 2012. 27 Essas turbinas são projetadas de acordo com as necessidades da planta. A pressão mais baixa pode ser uma pressão que será utilizada em algum outro processo na planta antes do vapor ser direcionado ao condensador (em usinas de açúcar e álcool, por exemplo, o vapor de saída da turbina pode ser utilizado para destilação do mosto fermentado). A figura 9 apresenta uma representação de uma turbina a vapor de condensação de múltiplos estágios: Figura 9 - Representação de Turbina de Condensação. Fonte: Siemens, 2012. Nesse tipo de turbina o vapor entra em alta pressão (pontos 3 ou 3’ da figura 4) e sai com pressão menor que a pressão atmosférica (cerca de 15 kPa) e título alto (acima de 90%). O vapor de saída é enviado diretamente para o condensador. É importante observar que as últimas palhetas (aquelas mais à direita) do rotor são mais compridas e com um formato diferente das demais. Essas palhetas são as responsáveis pela extrema queda de pressão do vapor dentro da carcaça da turbina. 28 2.2.4 O CONDENSADOR: O condensador é o equipamento responsável por transformar novamente em líquido o vapor proveniente da saída da turbina. O trocador de calor do tipo casco tubos é um condensador muito utilizado. A figura 10 apresenta um trocador do tipo casco tubos. Figura 10 – Condensador Fonte: JPX, 2012. 2.3 MANUTENÇÃO INDUSTRIAL: A manutenção industrial é um processo que visa assegurar que o equipamento continue a cumprir suas funções no seu contexto operacional. A operação de equipamentos industriais causa um desgaste natural em alguns dos seus componentes que precisam ser reparados ou trocados para que não venha a ocorrer uma falha que possa inutilizar esse equipamento, total ou temporariamente. A manutenção pode ser dividida em 3 tipos diferentes: corretiva, preventiva ou preditiva. 29 2.3.1 MANUTENÇÃO CORRETIVA: A manutenção corretiva é aquela que é feita depois que ocorre a detecção da falha do componente, visando corrigir, restaurar e/ou recuperar a capacidade produtiva de um equipamento ou instalação. A manutenção corretiva é uma técnica reativa que espera pela falha da máquina ou equipamento, antes que seja tomada qualquer ação de manutenção (MONTEIRO; SOUZA; ROSSI, 2010). Por isso essa técnica se torna a mais custosa e a menos segura, uma vez que o equipamento pode falhar e comprometer completamente o seu funcionamento. Um exemplo de uso da manutenção corretiva em uma planta termelétrica é o reparo de algum componente após a percepção de vazamento de vapor. 2.3.2 MANUTENÇÃO PREVENTIVA: A manutenção preventiva é aquela feita com base em estudos estatísticos da vida útil do componente, visando trocá-lo ou repará-lo antes que este apresente algum tipo de falha. Esse método é sugerido como o plano de manutenção do fabricante, normalmente baseado em função do tempo de operação do equipamento (SANTOS, TRABASSO, 2003). Por se basear em um método estatístico, uma empresa que utiliza esse método de manutenção corre o risco de restaurar um componente que ainda estava em condições de uso (antecipando a manutenção, gastando mais dinheiro) ou sofrer uma falha inesperada devido a um componente com defeito (sendo assim, faz-se uma manutenção corretiva, gerando um gasto maior). Para uma maior segurança, o fabricante normalmente indica um menor tempo de vida útil da peça. Porém, isso não assegura a não ocorrência de falha. Outra desvantagem da manutenção preventiva é o custo por estocagem das peças. A manutenção preventiva de uma planta termelétrica é utilizada, por exemplo, quando se faz uma revisão de 25.000 horas em uma turbina a vapor, conforme plano de manutenção do fabricante (SIEMENS, 2010). 2.3.3 MANUTENÇÃO PREDITIVA: A manutenção preditiva é aquela que se baseia em medições e monitoramento do funcionamento da máquina, sempre com análises não destrutivas, visando detectar algum comportamento inesperado do equipamento. (SANTOS, TRABASSO, 2003). Esse tipo de manutenção vem se mostrando a mais efetiva. Apesar de ser inicialmente mais cara, devido à compra dos instrumentos de medição e treinamento de pessoal, a manutenção preditiva compensa esses gastos pelas intervenções precisas e pela utilização das peças até o real fim de sua vida útil, diminuindo trocas desnecessárias. 30 Em plantas termelétricas, a manutenção preditiva é usada quando se faz o monitoramento da vibração em máquinas rotativas. Quando a vibração aumenta, sabe-se que algum componente não está mais funcionando adequadamente e precisa ser inspecionado ou trocado. 3. METODOLOGIA: Esse trabalho consiste de duas etapas principais. Uma de visita ao laboratório e outra de análise e estudos de cada equipamento instalado na planta termelétrica. Após a compreensão do processo termodinâmico de cada equipamento foi possível propor os experimentos que serão apresentados como resultado do trabalho. Cada uma das etapas é melhor descrita a seguir: 3.1 VISITA INICIAL AO LABORATÓRIO: A primeira visita ao laboratório foi feita em 30 de março de 2012. Nessa etapa os equipamentos foram fotografados e catalogados para um futuro estudo da operação da planta e análise da estrutura para os possíveis ensaios. A figura 11 apresenta o Laboratório de Vapor do DEN em março de 2012: Figura 11 - Laboratório de Vapor do DEN em Março de 2012. Observando a figura acima percebe-se como o laboratório estava sendo utilizado com outros propósitos. 31 3.2 ANÁLISE E ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS: Após análise das fotografias e de estudos sobre o comportamento termodinâmico de cada equipamento foi possível propor os ensaios que serão apresentados a seguir como resultado desse trabalho. Como parte dessa análise, são apresentados abaixo os equipamentos existentes no laboratório. 3.2.1 O CICLO DE VAPOR: O ciclo de vapor do laboratório é baseado no Ciclo de Rankine e se inicia na bomba de alimentação da caldeira, passando pela caldeira que gera vapor saturado a 10 bar. Após a caldeira o vapor flui pelo superaquecedor, que eleva a sua temperatura em até 100°C. O vapor, então, é injetado na turbina a vapor, onde sua expansão gera trabalho de eixo (da ordem de 4 kW). O vapor, agora a baixa pressão, entra no condensador, onde se torna líquido novamente, fechando o ciclo. O sistema de resfriamento da água do condensador é um outro ciclo independente do ciclo de vapor descrito anteriormente. Esse segundo ciclo se inicia com a água quente que sai do resfriamento do condensador. Essa água entra numa torre de resfriamento, que resfria a água em contato com o ar úmido. Após o resfriamento, a água é então bombeada novamente para o condensador. A figura 12 representa esquematicamente o ciclo termodinâmico do Laboratório de Vapor do DEN: Figura 12 - Ciclo Termodinâmico do Laboratório de Vapor do DEN Fonte: Notas de aulas de Máquinas Térmicas, Prof. José Antônio Perrella Balestieri – DEN, 2009; modificado. 32 Cálculos Termodinâmicos do Ciclo: Sendo: t: rendimento total do ciclo; liq: potência líquida do ciclo; 2-3’: calor fornecido pela queima do combustível na caldeira e no superaquecedor (fluxo térmico); TV: potência da turbina; B: potência da bomba; ṁ cc: vazão mássica de combustível que entra na caldeira; ṁ cs: vazão mássica de combustível que entra na superaquecedor; PCI: poder calorífico inferior do combustível da caldeira. Da conservação da energia: = (1) 3.2.2 BOMBA: A bomba principal do laboratório é do tipo a pistão, da marca Grosvenor, de fabricação Inglesa. Ela é utilizada para alimentação da caldeira e deve bombear a água à pressão de operação da caldeira (10 bar) mais perdas de carga na tubulação. A figura 13 apresenta a bomba do Laboratório do DEN. Figura 13 - Bomba do Laboratório de Vapor do DEN. 33 Cálculos Termodinâmicos da Bomba: Sendo: ṁ1: vazão mássica de água na entrada da bomba; ṁ2: vazão mássica de água na saída da bomba; P1: pressão da água na entrada da bomba; P2: pressão da água na saída da bomba; T1: temperatura da água na entrada da bomba; T2: temperatura da água na saída da bomba; h1: entalpia da água na entrada da bomba; h2: entalpia da água na saída da bomba; B: potência da bomba. Da conservação da massa: ṁ1 = ṁ2 = ṁ (2) Como todo o sistema água-vapor do laboratório está num ciclo fechado e desprezando pequenos vazamentos, a vazão mássica ṁ será a mesma para todos os equipamentos. Da conservação da energia: B = ṁ (h2 – h1) (3) As entalpias (h2 e h1) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas da água e estão relacionadas com a temperatura da água na entrada e na saída da bomba. 3.2.3 CALDEIRA: A caldeira do laboratório é do tipo flamotubular vertical, da marca Fulton, de fabricação norte americana. Ela opera com GLP e originalmente tem capacidade de gerar 313 kg/h a uma pressão de operação de 10 bar. A figura 14 apresenta a Caldeira do Laboratório de Vapor do DEN. 34 Figura 14 - Caldeira do Laboratório de Vapor do DEN. Cálculos Termodinâmicos da Caldeira: Sendo: ṁ2: vazão mássica de água na entrada da caldeira; ṁ3: vazão mássica de vapor na saída da caldeira; P2: pressão da água na entrada da caldeira; P3: pressão do vapor na saída da caldeira; T2: temperatura da água na entrada da caldeira; T3: temperatura do vapor na saída da caldeira; h2: entalpia da água na entrada da caldeira; h3: entalpia do vapor na saída da caldeira; 2 3: calor necessário para vaporizar a água (fluxo térmico); cald: calor fornecido pela queima do combustível na caldeira (fluxo térmico); ṁ cc: vazão mássica de combustível que entra na caldeira; PCI: poder calorífico inferior do combustível da caldeira; ṁ gc: vazão mássica dos gases de combustão na caldeira. Da conservação da massa: ṁ2 = ṁ3 = ṁ (4) Da conservação da energia: 2 3 = ṁ (h3 – h2) (5) 35 cald = ṁ cc . PCI (6) As entalpias (h2 e h3) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas da água e estão relacionadas com a temperatura da água na entrada e do vapor na saída da caldeira. Como visto na seção 2.1, o processo de 2 para 3 é uma transferência de calor à pressão constante. Sendo assim, desprezando as perdas de carga na caldeira: P2 = P3 (7) 3.2.4 SUPERAQUECEDOR: O superaquecedor do laboratório é da marca Riello, de fabricação italiana. Ele opera com GLP e originalmente tem capacidade de elevar em até 100°C o vapor que sai da caldeira. A figura 15 apresenta o Superaquecedor do Laboratório de Vapor do DEN. Figura 15 - Superaquecedor do Laboratório do DEN 36 Cálculos Termodinâmicos do Superaquecedor: Sendo: ṁ3: vazão mássica de vapor na entrada da superaquecedor; ṁ3’: vazão mássica de vapor na saída da superaquecedor; P3: pressão do vapor na entrada da superaquecedor; P3’: pressão do vapor na saída da superaquecedor; T3: temperatura do vapor na entrada da superaquecedor; T3’: temperatura do vapor na saída da superaquecedor; h3: entalpia do vapor na entrada da superaquecedor; h3’: entalpia do vapor na saída da superaquecedor; 3 3’: calor necessário para superaquecer o vapor (fluxo térmico); sup: calor fornecido pela queima do combustível no superaquecedor (fluxo térmico); ṁ cs: vazão mássica de combustível que entra na superaquecedor; PCI: poder calorífico inferior do combustível da superaquecedor; ṁ gs: vazão mássica dos gases de combustão no superaquecedor. Da conservação da massa: ṁ3 = ṁ3’ = ṁ (8) Da conservação da energia: 3 3’ = ṁ (h3’ – h3) (9) sup = ṁ cs . PCI (10) As entalpias (h3 e h3’) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas da água e estão relacionadas com a temperatura do vapor na saída do superaquecedor. Desprezando a perda de carga do vapor no superaquecedor, o processo de 3 para 3’ pode ser considerado uma transferência de calor à pressão constante. Sendo assim: P3 = P3’ (11) A caldeira e o superaquecedor podem ser vistos como um único componente (gerador de vapor). Dessa forma temos: 2 3’ = ṁ (h3’ – h2) (12) GV = (ṁ cc + ṁ cs). PCI (13) 37 Sendo: 2 3’: calor necessário para vaporizar a água e superaquecer o vapor (fluxo térmico); GV: calor fornecido pela queima do combustível na caldeira e no superaquecedor (fluxo térmico); 3.2.5 TURBINA A VAPOR: A turbina a vapor do laboratório é da marca Greenbat, de fabricação inglesa. Ela originalmente tem capacidade de 4.4 kW com entrada de vapor a 8,3 bar e 227°C e saída a até 62,3 mbar. A figura 16 apresenta a Turbina do Laboratório de Vapor do DEN. Figura 16 - Turbina a Vapor do Laboratório de Vapor do DEN. Cálculos Termodinâmicos da Turbina a Vapor: Sendo: ṁ3’: vazão mássica de vapor na entrada da turbina; ṁ4: vazão mássica de vapor na saída da turbina; P3’: pressão do vapor na entrada da turbina; P4: pressão do vapor na saída da turbina; T3’: temperatura do vapor na entrada da turbina; T4: temperatura do vapor na saída da turbina; h3’: entalpia do vapor na entrada da turbina; 38 h4: entalpia do vapor na saída da turbina; TV: potência da turbina; RPMTV: rotação por minuto da turbina. Da conservação da massa: ṁ3’ = ṁ4 = ṁ (14) Da conservação da energia: TV = ṁ (h3’ – h4) (15) As entalpias (h3’ e h4) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas da água e estão relacionadas com a temperatura do vapor na entrada e na saída da turbina a vapor. 3.2.6 CONDENSADOR: O condensador do laboratório é um trocador de calor do tipo casco tubos, sendo de um passe no casco e um passe nos tubos, da marca Wards Patents, de fabricação inglesa. Ele originalmente foi projetado para operar em pressão máxima de 5,27 bar tanto no casco como nos tubos. A figura 17 apresenta o Condensador do Laboratório de Vapor do DEN: Figura 17 - Condensador do Laboratório de Vapor do DEN. 39 Cálculos Termodinâmicos do Condensador: Sendo: ṁ4: vazão mássica de vapor na entrada do condensador; ṁ1: vazão mássica de condensado na saída do condensador; P4: pressão do vapor na entrada do condensador; P1: pressão do condensado na saída do condensador; T4: temperatura do vapor na entrada do condensador; T1: temperatura do condensado na saída do condensador; h4: entalpia do vapor na entrada do condensador; h1: entalpia do condensado na saída do condensador; ṁec: vazão mássica de água de resfriamento na entrada do condensador; ṁsc: vazão mássica de água de resfriamento na saída do condensador; Pec: pressão da água de resfriamento na entrada do condensador; Psc: pressão da água de resfriamento na saída do condensador; Tec: temperatura da água de resfriamento na entrada do condensador; Tsc: temperatura da água de resfriamento na saída do condensador; hec: entalpia da água de resfriamento na entrada do condensador; hsc: entalpia da água de resfriamento na saída do condensador. Da conservação da massa: ṁ4 = ṁ1 = ṁ (16) ṁec = ṁsc = ṁ5 = ṁ6 = ṁrf (17) Como todo o sistema da água de resfriamento do condensador está num ciclo fechado, será considerada como ṁrf a vazão mássica da água de resfriamento para todos os equipamentos pertencentes à esse ciclo. Da conservação da energia: ṁ (h4 – h1) = ṁrf (h5 – h6) (18) As entalpias (h1, h4, h5, e h6) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas da água e estão relacionadas com a temperatura da água na entrada e na saída do condensador. Desprezando a perda de carga do vapor, o processo de 4 para 1 pode ser considerado uma transferência de calor à pressão constante. Sendo assim: P4 = P1 (19) Igualmente para a água de resfriamento: P6 = P5 (20) 40 3.2.7 TORRE DE RESFRIAMENTO: A torre de resfriamento da água de circulação do trocador de calor é da marca Itaipu, de fabricação nacional. A figura 18 apresenta a Torre de Resfriamento de água do Laboratório de Vapor do DEN. Figura 18 - Torre de Resfriamento de Água do Laboratório de Vapor do DEN. Cálculos Termodinâmicos da Torre de Resfriamento: Sendo: ṁet: vazão mássica de água na entrada da torre; ṁst: vazão mássica de água na saída da torre; Tet: temperatura da água na entrada da torre; Tst: temperatura da água na saída da torre; het: entalpia da água na entrada da torre; hst: entalpia da água na saída da torre; ṁrp: vazão mássica de água de reposição; Tr: temperatura da água de reposição; hr: entalpia da água de reposição; ṁae: vazão mássica de ar na entrada da torre; ṁas: vazão mássica de ar na saída da torre; 41 Tae: temperatura do ar na entrada da torre; Tas: temperatura do ar na saída da torre; hae: entalpia do ar na entrada da torre; has: entalpia do ar na saída da torre; ṁase: vazão mássica de ar seco que entra na torre; ṁass: vazão mássica de ar seco que sai da torre; ṁvae: vazão mássica de vapor de água no ar que entra na torre; ṁvas: vazão mássica de vapor de água no ar que sai da torre. Da conservação da massa: ṁase + ṁvae = ṁae (21) ṁass + ṁvas = ṁas (22) Na torre de resfriamento, a água que sai do condensador é alimentada de forma bem dispersa no topo da torre. O interior da torre possui blocos de enchimento (recheio) que auxilia no aumento da superfície de contato entre água e ar. Então o ar ambiente é insuflado através do enchimento, em contracorrente ou corrente cruzada com a água que desce. Por meio desse contato líquido gás, parte da água evapora e ocorre o seu resfriamento (CORTINOVIS; SONG, 2005). Para um correto balanço de massa deve-se entender o processo que ocorre no interior da torre de resfriamento. A figura 19 apresenta uma torre de resfriamento ilustrando os fluxos de água e de ar. Figura 19 - Esquema dos Fluxos de Água e Ar em Uma Torre de Resfriamento. Fonte: Thermosystem, 2012; modificado. 42 A água quente, vinda do condensador, entra no topo da torre onde é distribuída (até esse momento a vazão mássica de água na entrada é a mesma na saída). Nos blocos de enchimento a água entra em contato com o ar não saturado, parte dela se evapora, ocorrendo transferência de calor e massa (nesse ponto da torre a vazão de água é menor que na entrada). Há, então, necessidade de repor a água evaporada. O ar não saturado entra na torre pelas aberturas laterais, insuflado com o auxilio de um ventilador localizado no topo da torre. Quando o ar entra em contato com a água, nos blocos de enchimento, ele “absorve” vapor da água, se tornando saturado. O ar, então, sai pelo topo da torre. Sendo assim: ṁst = ṁet = ṁ6 = ṁ5= ṁrf (23) Para a água de reposição: (ṁass + ṁvas) - (ṁase + ṁvae) = ṁas - ṁae = ṁrp (24) Deve-se notar que, apesar da saturação do ar, a vazão mássica de ar seco, ṁar, permanece igual. Assim: ṁase = ṁass = ṁar (25) Da conservação da energia: ṁet . het + ṁae . hae + ṁrp . hrp = ṁst . hst + ṁas .has (26) Ou, de forma simplificada: ṁrf (h5 - h6) + ṁrp . hrp = ṁar (has - hae) (27) As entalpias (het, e hst) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas da água e estão relacionadas com a temperatura da água na entrada e na saída da torre de resfriamento. As entalpias (hae, e has) são encontradas nas tabelas de propriedades termodinâmicas do ar, ou em cartas psicrométricas, e estão relacionadas com a temperatura e da umidade relativa do ar na entrada e na saída da torre de resfriamento. 3.2.8 GERADOR ELÉTRICO: O gerador elétrico associado à turbina a vapor do laboratório é da marca BKB, de fabricação inglesa. Ele originalmente tem capacidade de 4.4 kW a 3000 rpm, com saída de 220 V e 30 e resistência interna de 150 Ω. A figura 20 apresenta o gerador do laboratório de vapor do DEN. 43 Figura 20 - Gerador do Laboratório de Vapor do DEN. Cálculos no Gerador: Sendo: ɛ: força eletromotriz do gerador; I: corrente elétrica nos terminais do gerador; U: diferença de potencial (tensão) nos terminais do gerador; r: resistência interna do gerador; Pt: potência elétrica total desenvolvida pelo gerador; Pu: potência útil fornecida ao circuito elétrico; Pd: potência dissipada pelo gerador; RPMGE: rotação por minuto do gerador. Da conservação da energia: RPMGE = RPMTV = RPM (28) Da elétrica: Pt = ɛ . I (29) Pu = U . I (30) Pd = r . I2 (31) 44 3.2.9 BANCADA DE DISSIPAÇÃO: A bancada de dissipação de energia do laboratório é da marca Greenbat, de fabricação inglesa. Ela originalmente tem potência de 4,4 kW e opera a 220 V na saída do gerador. A bancada conta apenas com resistores para a dissipação de energia gerada, uma vez que o sistema não está habilitado a ser conectado à rede elétrica da concessionária local, devendo operar isoladamente. A figura 21 apresenta a atual bancada de dissipação do laboratório de vapor do DEN. Figura 21 - Bancada de Dissipação do Laboratório de Vapor do DEN. 4. RESULTADOS: Como resultado das análises descritas anteriormente são propostos os seguintes ensaios para serem usados futuramente quando o Laboratório de Vapor do DEN retornar as suas atividades didáticas: 45 4.1 EXPERIMENTO 1: LABORATÓRIO DE VAPOR – ENSAIO I Objetivo: Calcular as eficiências da caldeira, do superaquecedor, da turbina a vapor e do gerador elétrico. Medições: Deve-se medir os parâmetros necessários para os cálculos das eficiências em cada equipamento. Para uma melhor segurança nos cálculos, deve-se medir todos os parâmetros pelo menos 4 vezes, variando-se a vazão do vapor, e calcular a eficiência para cada ensaio. Ensaio ṁ (kg/s) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T3’ (°C) T4 (°C) P1 (Pa) P2 (Pa) P4 (Pa) U (V) I (A) 1 2 3 4 Cálculos: Baseados na conservação da massa e conservação da energia aplicados em cada um dos equipamentos, considerando regime permanente. Utilizar o Anexo 1 para fazer os cálculos. Análise e Conclusões: 1-) O valor encontrado para os equipamentos condiz com a realidade e com o esperado? Caso contrário, cite possíveis causas. 2-) O custo atual do GLP é de R$ 3,10 por kg, o custo da água é de R$ 15,00 por m3, e o custo da energia elétrica é de R$ 0,33 kWh. Somando-se ainda o custo para aquisição e manutenção dos equipamentos mais custos com funcionários, é eficiente a instalação de uma usina termelétrica com base nos dados encontrados nesse ensaio? Caso contrário, cite causas para o crescente número de usinas termelétricas. 46 Respostas Esperadas: Cálculos: Rendimento da Caldeira: = (32) Espera-se um valor entre 87 e 95%. Rendimento do Superaquecedor: ′ = ′ (33) Espera-se um valor entre 80 e 95%. Rendimento da Turbina a Vapor: = (34) Espera-se um valor de no máximo 70%. Rendimento do Gerador: = = (35) Espera-se um valor entre 90 e 98%. Análise e Conclusões: 1-) Deve-se encontrar um valor baixo para o rendimento dos equipamentos, ao contrário do que se espera em equipamentos industriais, principalmente nos ensaios com menor vazão de vapor. Algumas possíveis causas são o tamanho dos equipamentos (máquinas grandes normalmente apresentam melhor rendimento), baixa vazão nos primeiros ensaios (as máquinas são projetadas para altas vazões) e equipamentos ainda frios nos primeiros ensaios. 2-) Os cálculos devem mostrar que a energia comprada da rede custa menos do que a energia gerada na planta. 47 Algumas possíveis razões é que as usinas normalmente se instalam próximas aos rios, barateando o custo da água, e que o combustível usado no laboratório é muito caro (no caso das usinas movidas a biomassa, o combustível utilizado é o material orgânico que seria descartado, e em plataformas de petróleo, o gás natural utilizado é material abundante). Adaptações do Laboratório de Vapor do DEN para Este Experimento: Para o experimento ser realizado como foi descrito acima, é necessária a compra de um instrumento de medição de vazão para ser instalado em qualquer ponto do ciclo (de preferência na entrada ou na saída da bomba, onde a água esteja na forma líquida). O equipamento já foi comprado, mas ainda precisa ser instalado. Outros equipamentos necessários seriam termômetros na entrada e na saída da bomba, da caldeira e da turbina a vapor, para que seja possível calcular as entalpias em cada um desses pontos. E, por ultimo, uma nova bancada de dissipação como proposto a seguir: Proposta de Nova Bancada de Dissipação: A bancada atual opera apenas com resistores, uma situação que não simula adequadamente o uso da energia elétrica nos dias de hoje. Para uma melhor simulação é proposto o uso de cargas resistivas, cargas indutivas e cargas capacitivas. A carga resistiva pode ser observada com um resistor imerso em água ou óleo. A potência elétrica consumida pelo resistor poderá ser calculada em função da diferença de temperatura medida nesse líquido. Para observação da carga indutiva podem ser utilizados motores elétricos ou transformadores instalados na bancada. Já a carga capacitiva pode ser estudada pela utilização de banco de capacitores. A nova bancada deverá contar com instrumentos para medição de voltagem (voltímetro), amperagem (amperímetro), potencia (wattímetro) e ângulo de fase. Como sistema de segurança, deve ser instalados disjuntores na entrada de energia da bancada a fim de proteger os equipamentos e o circuito interno de sobrecargas. 48 4.2 EXPERIMENTO 2: LABORATÓRIO DE VAPOR – ENSAIO II Objetivo: Calcular a eficiência térmica do ciclo da planta termelétrica do laboratório com e sem pré-aquecimento da água de entrada na caldeira. Medições: Deve-se medir os parâmetros necessários para os cálculos das eficiências em cada equipamento. Para uma melhor segurança nos cálculos, deve-se medir todos os parâmetros pelo menos 2 vezes para cada situação (com e sem pré-aquecimento), variando-se a vazão do vapor, e calcular a eficiência do ciclo para cada ensaio. Ensaio ṁ (kg/s) T1 (°C) T2 (°C) T3 (°C) T3’ (°C) T4 (°C) P1 (Pa) P2 (Pa) P4 (Pa) Nomal 1 Normal 2 Pré-aquecido 1 Pré-aquecido 2 Ensaio ṁgc (kg/s) Tgc (°C) ṁgs (kg/s) Tgs (°C) Nomal 1 Normal 2 Pré-aquecido 1 Pré-aquecido 2 Cálculos: Baseados na conservação da massa e conservação da energia aplicados no ciclo Rankine instalado no Laboratório, considerando regime permanente. Utilizar o Anexo 1 para fazer os cálculos. Análise e Conclusões: 1-) Analisando os valor encontrados, podemos dizer que é viável o uso do pré- aquecimento da água? 2-) Cite outras formas de pré-aquecimento ou outras formas de se aproveitar a energia ou calor que são rejeitados dos equipamentos. 49 Respostas Esperadas: Cálculos: Rendimento do Ciclo: = (1) Espera-se um valor em torno de 30 %. Análise e Conclusões: 1-) Sim. O processo de reaquecimento é tecnicamente viável porque quanto maior for a temperatura da água na entrada da caldeira (ponto 2) maior será a sua entalpia, diminuindo a variação entre os valores de h2 e h3 (ponto de saída de vapor saturado), e consequentemente será necessário menos calor 2 3 para vaporizar a água, economizando combustível. 2-) O pré-aquecimento com a utilização dos gases de combustão é a forma mais fácil de se aquecer a água de entrada da caldeira, visto que o calor proveniente desses gases seria jogado fora. Porém existem outras formas de pré-aquecimento que se mostram muito eficientes, como, por exemplo: pré-aquecimento com vapor de extração da turbina ou pré-aquecimento com serpentina envolta na turbina. Em uma planta termelétrica real, o calor rejeitado pelos equipamentos também poderia ser utilizado para aquecimento de água para processos ou sistema de refrigeração ou ar condicionado. Adaptações do Laboratório de Vapor do DEN para Este Experimento: Para o experimento 2 ser realizado como proposto acima, o Laboratório de Vapor do DEN deve contar com um trocador de calor de passagem por fluxo cruzado (sem mistura), onde os gases de exaustão da caldeira e do superaquecedor seriam a entrada de fluido quente e a água de alimentação da Caldeira seria a entrada de fluido frio no trocador. Tal trocador faz o papel de um economizador. Além disso, a instalação um instrumento de medição de vazão para ser instalado em qualquer ponto do ciclo (de preferência na entrada ou na saída da bomba, onde a água esteja na forma líquida). Outros equipamentos necessários seriam termômetros na entrada e na saída da bomba, da caldeira e da turbina a vapor, para que seja possível calcular as entalpias em cada um desses pontos, conforme mencionado na seção 4.1. Também é necessária a instalação de medidores de vazão na saída dos gases da caldeira e do superaquecedor, assim como termômetros nesses mesmos pontos. 50 4.3 EXPERIMENTO 3: LABORATÓRIO DE VAPOR – ENSAIO III Objetivo: Traçar a curva de Potência do Turbogerador por Consumo de Vapor Vivo. Medições: Deve-se medir os parâmetros necessários para os cálculos da potência elétrica gerada nos terminais do gerador (admitindo-se, assim, que não há perdas no sistema elétrico) e os parâmetros necessários para se medir a condição do vapor vivo. Para uma melhor segurança para traçar a curva, deve-se medir todos os parâmetros pelo menos 4 vezes, variando-se a vazão do vapor em casa ensaio. Ensaio ṁ (kg/s) T3’ (°C) P2 (Pa) U (V) I (A) 1 2 3 4 Cálculos: Baseados na conservação da massa e conservação da energia aplicados na caldeira e no superaquecedor, considerando regime permanente, e também em conceitos de potência elétrica aplicados ao gerador. Utilizar o Anexo 1 para fazer os cálculos. Análise e Conclusões: 1-) Com base na curva traçada, qual é o melhor ponto de operação dessa turbina? 2-) Quais são as desvantagens de se operar uma turbina com pequena vazão de vapor? 51 Respostas Esperadas: Cálculos: Potência nos Terminais do Gerador: Pu = U . I (30) Com base em curvas reais de ṁ por Pu já observadas, a curva traçada deverá ser uma reta crescente. Essa curva é característica para uma determinada pressão e temperatura de vapor vivo. Análise e Conclusões: 1-) Como a curva traçada deverá ser uma reta crescente, obviamente o melhor ponto de operação será aquele para que a vazão é máxima (dentro das especificações do fabricante). 2-) As problema de se operar a turbina a vapor com pequena vazão de vapor é não se respeitar as condições do fabricante, podendo causar maior desgaste do equipamento. Adaptações do Laboratório de Vapor do DEN para Este Experimento: Para o experimento 3 ser realizado como proposto acima, é necessária a instalação de medidor de vazão em qualquer ponto do ciclo (de preferência na entrada ou na saída da bomba, onde a água esteja na forma líquida). E, por ultimo, a nova bancada de dissipação como proposto na seção 4.1. 52 4.4 EXPERIMENTO 4: LABORATÓRIO DE VAPOR – ENSAIO IV Objetivo: Estudar a reação do turbogerador com relação à quantidade e tipo de carga requerida pela bancada de dissipação. Simulação de desarme da turbina. Medições: Deve-se medir os parâmetros necessários para os cálculos da potência mecânica gerada pela turbina (em função do consumo de vapor) e da potência elétrica consumida pela bancada de dissipação. Para uma melhor segurança nos cálculos, a turbina deve estar rodando com a vazão da eficiência máxima calcula no Experimento 1. Cada ensaio será feito com um tipo de carga diferente (ora resistiva, ora capacitiva e ora indutiva) e por ultimo um ensaio com as 3 cargas juntas. Ensaio ṁ (kg/s) T3’ (°C) P2 (Pa) U (V) I (A) Resistiva Capacitiva Indutiva Todas Cálculos: Baseados na conservação da massa e conservação da energia aplicados à turbina a vapor, considerando regime permanente, e em conceitos de potência elétrica aplicados à bancada de dissipação. Utilizar o Anexo 1 para fazer os cálculos. Análise e Conclusões: 1-) Descreva o comportamento do turbogerador para cada tipo de carga. Em qual ensaio a turbina iria desarmar? 2-) Que cuidados podemos tomar dentro de nossas casas a fim de não sobrecarregar o sistema elétrico? 53 Respostas Esperadas: Cálculos: Calculo da Potência da Turbina: TV = ṁ (h3’ – h4) (15) Cálculo da Potência Elétrica Consumida: Pu = U . I (30) Análise e Conclusões: 1-) Baseando-se nos dados medidos de U e I, observaremos um consumo de energia linear quando aplicada a carga resistiva. Com a carga capacitiva as medições podem ficar um pouco confusas uma vez que os capacitores devolvem parte da energia para a rede devido à formação de campos elétricos. Processo parecido com o que ocorre com as cargas indutivas, porém essas causam a formação de campos magnéticos. A figura 22 ilustra as situações descritas acima: Figura 22 - Fluxo de Potência entre Fontes e Cargas Elétricas. Fonte: NEVES; MUNCHOW, 2010. 54 A turbina iria desarmar (ou tripar1) no último ensaio, devido à grande quantidade de carga aplicada ao gerador. O desarme é simulado pela queda do disjuntor da bancada de dissipação 2-) Para evitar sobrecargas no sistema elétrico devemos sempre verificar se a instalação foi feita adequadamente, por um técnico qualificado, e se os cabos utilizados são de diâmetro (seção) corretos. Principalmente para os equipamentos que ficam mais tempo ligados (ex: geladeira) e para aqueles que consomem mais energia (ex: micro- ondas e ferro de passar roupa). Adaptações do Laboratório de Vapor do DEN para Este Experimento: Para o experimento 4 ser realizado como proposto acima, o Laboratório de Vapor do DEN deverá adquirir uma nova bancada de dissipação conforme projeto descrito na seção 4.1. Além disso a instalação de medidor de vazão de vazão em qualquer ponto do ciclo (de preferência na entrada ou na saída da bomba, onde a água esteja na forma líquida). _________________________________ 1 A expressão tripar tem origem do inglês to trip, e é um termo comum na prática de turbomáquinas para designar o desarme do equipamento por sobrevelocidade. 55 5. CONCLUSÃO: Este trabalho mostra a importância das aulas práticas para a aprendizagem dos conceitos teóricos vistos nas aulas de Engenharia. A Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá está reformando seu laboratório de vapor e esse trabalho propõe alguns dos experimentos que nele serão realizados. Desta forma, o Engenheiro formado pela UNESP – Guaratinguetá terá mais um diferencial quando entrar para o mercado de trabalho. Outra vantagem é que a FEG poderá disponibilizar o Laboratório de Vapor do DEN para cursos e treinamentos de Engenheiros já formados que não tiveram a oportunidade de estudar o comportamento de um ciclo termelétrico em equipamentos didáticos. Os experimentos propostos foram planejados visando um ensinamento multidisciplinar, combinando conceitos de mecânica, energia, termodinâmica, elétrica, economia e atualidades. 56 REFERÊNCIAS BALESTIERI, J.A.P. Notas de aulas de Máquinas Térmicas; Guaratinguetá, 2009. CASTRO, J. Desemprego ou falta de profissionais capacitados?. Disponível em: ; www.webartigos.com/artigos/desemprego-ou-falta-de-profissionais-capacitados/24883. Acesso em: 16 de nov. de 2012. CORTINOVIS, G.F.; SONG, T.W. Funcionamento de Uma Torre de Resfriamento de Água. São Paulo, 2005. Disponível em: http://www.hottopos.com/regeq14/giorgia.pdf. 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WYLEN, G.V.; SONNTAG, R.; BORGNAKKE, C., Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 4ª Ed. Edgard Blucher; São Paulo, 1995. WOODRUFF, E. B., LAMMERS, H. B., LAMMERS, T.F. Steam Plant Operation. 7º Ed.; McGraw-Hill; New York, 1998. 57 Grade Horária do Curso de Engenharia Mecânica, UNIFEI. Disponível em: http://www.portalacademico.unifei.edu.br/index.php?link=grades&subsistema=grad&pa ineis=cab1Panel1|cabPanel2|contPanel2|pePanel2&cursocod=010&areagradecod=2007 &localcod=C01&cursomod=NaN&subsistema=grad&subsistema=grad. Acesso em 02 de Novembro de 2012. Grade Horária do Curso de Engenharia Mecânica, MAUA. Disponível em: http://www.maua.br/cursos-graduacao/engenharia-mecanica/disciplinas- diurno. Acesso em 02 de Novembro de 2012. Grade Horária do Curso de Engenharia Mecânica, UNICAMP. Disponível em: http://fit.fem.unicamp.br/hppos/forms/DISCIPLINAS_EngenhariaMec1.pdf. Acesso em 02 de Novembro de 2012. Grade Horária do Curso de Engenharia Mecânica, USP – SÃO CARLOS. 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Termelétricas Avançam de Forma Diferenciada no Brasil. Revista Grandes Construções, Ed. 11. Publicado em janeiro de 2011. Disponível em: www.grandesconstrucoes.com.br/br/index.php?option=com_conteudo&task=viewMater ia&id=376. Acesso em: 05 de nov. de 2012. 59 ANEXO 1 Figura 12 - Ciclo Termodinâmico do Laboratório de Vapor do DEN Fonte: Notas de aulas de Máquinas Térmicas, Prof. José Antônio Perrella Balestieri – DEN, 2009; modificado. CAPA FOLHA DE ROSTO FICHA CATALOGRÁFICA BANCA DE EXAMINADORA DEDICATÓRIA AGRADECIMENTOS EPÍGRAFE RESUMO ABSTRACT SUMÁRIO LISTA DAS FIGURAS LISTA DAS TABELAS 1. INTRODUÇÃO 1.1 ANÁLISE DAS AULAS PRÁTICAS NO CURSO DE ENGENHARIAMECÂNICA: 1.2 O PROBLEMA DE FUNCIONÁRIOS NÃO CAPACITADOS 1.3 GERAÇÃO TERMELÉTRICA NO BRASIL 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 CICLO RANKINE 2.2 EQUIPAMENTOS USADOS NO CICLO RANKINE 2.3 MANUTENÇÃO INDUSTRIAL 3. METODOLOGIA 3.1 VISITA INICIAL AO LABORATÓRIO 3.2 ANÁLISE E ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS 4. RESULTADOS 4.1 EXPERIMENTO 1 4.2 EXPERIMENTO 2 4.3 EXPERIMENTO 3 4.4 EXPERIMENTO 4 5. CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO 1