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Estudo de um Sistema de Micro

1. Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1810 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 65 kW Horas de funcionamento 1867 horas ano Pot ncia de arrefecimento 4 93 kW Pre o do calor til 0 14 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0474 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 16 47 kW Pot ncia calor til 14 kW Horas de funcionamento 1548 horas ano Pre o do calor til 0 06 kWh Pre o do calor til total 0 20 kWh Tabela 49 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 em Faro Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 102 17 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Pot ncia de calor til 14 00 kw Horas de funcionamento 1548 _ horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 06 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11819 83 Custos de opera o 123 22 Pot ncia calor fica fornecida 14 00 kW Pre o do calor fornecido 0 06
2. Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1486 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 055 kW Horas de funcionamento 1064 horas ano Pot ncia de arrefecimento 2 57 kW Pre o do calor til 0 32 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0423 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 14 71 kW Pot ncia calor til 12 5 kW Horas de funcionamento 2880 horas ano Pre o do calor til 0 05 kWh Pre o do calor til total 0 37 kWh Tabela 43 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 em Bragan a Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 190 08 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Pot ncia de calor til 12 50 kW Horas de funcionamento 2880 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 05 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11436 61 Custos de opera o 70 22 Pot ncia calor fica fornecida 12 50 kW Pre o do calor fornecido 0 05 kWh Pot ncia do evaporador 2
3. Pot ncia Pot ncia Disponibilidade Fabricante Modelo el ctrica kW t rmica kW comercial Disenco Disenco 3 15 2008 Whispertech WhisperGen 1 6 24 Brevemente Baxi Baxi Ecogen 1 7 2009 2 2 3 4 Sistemas de micro cogera o com ciclo de Rankine O ciclo org nico de Rankine ORC semelhante ao convencional ciclo a vapor excepto pelo facto de usar um fluido de trabalho org nico de elevada massa molecular O fluido de trabalho seleccionado de forma a aproveitar eficientemente fontes de calor a baixa temperatura para produzir electricidade sendo poss vel faz lo numa alargada gama de pot ncias desde alguns quilowatts at 3 MW O fluido de trabalho atinge o estado de satura o vapor no evaporador O fluido org nico vapor expande na turbina e de seguida condensado usando um fluxo de gua alternativamente o ar ambiente pode ser usado para o arrefecimento O condensado bombeado de volta para o evaporador fechando assim o ciclo termodin mico As fontes aquecimento e de arrefecimento n o est o em contacto directo com o fluido de trabalho nem com a turbina Para aplica es de alta temperatura um leo t rmico de alta temperatura usado como transportador de calor e adiciona se um regenerador para melhorar o desempenho do ciclo 24 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Este tecnologia apresenta algumas vantagens ciclo de elev
4. Ganho relativo anual Situa o 1 Situa o 2 Energia kWh Ganho Energia kWh Ganho Electricidade vendida 21692 2386 12 21692 2386 12 Poupan a AQS 36000 1522 80 40320 1705 54 Poupan a Arrefecimento 1123 123 48 1756 193 12 Tempo de amortiza o anos Tabela 61 Tempos de amortiza o obtidos para Faro Ganho relativo anual Situa o 1 Situa o 2 Energia kWh Ganho Energia kWh Ganho Electricidade vendida 18783 2066 08 18783 2066 08 Poupan a AQS 19350 917 19 21672 1027 25 Poupan a Arrefecimento 1970 216 67 3081 338 86 Tempo de amortiza o anos Como se pode averiguar o sistema de cogera o com aquecimento auxiliar apresenta tempos de amortiza o relativamente menores quando comparados com a alternativa O tempo de amortiza o juntamente com os par metros anteriormente estudados pre os do calor til e electricidade defendem a implementa o do aquecedor a g s no sistema de modo a elevar a temperatura do gerador para 90 C nas condi es de vapor saturado Para todos os casos os valores obtidos s o bastante aceit veis uma vez que na sua maioria o sistema fica rentabilizado em menos de 8 anos O caso menos vantajoso a aquele que corresponde a implementa o do sistema de cogera o em Faro no qual se obt m tempos de amortiza o para a situa o Sl e S2 de 7 6 e 7 2 anos respectivamente Em
5. 27 Figura 15 Esquema simplificado de um sistema de micro cogera o h brida ECOPower 2006 28 Figura 16 Micro cogera o com ciclo turbina a vapor ORC com alimenta o solar Oliveira 2008 28 Figura 17 Sistema ejector Alexis 2004 ee ceessescesecseeseceeeeesecseesecsaeeecsaeceessecaeesasenesaecaeesecseeseesecneseeenaeseeeas 30 Figura 18 Princ pio de funcionamento de um ejector Varga S 2008 30 Figura 19 Ejector da SAMHWA International 2007 ceceesssccsseseeesecseeeeceeeecsaeceeesecaeesecneeseesaeeeessecaeeaeeneees 31 Figura 20 Diagrama esquem tico do sistema em CStUO cc ceeeeseescsseeeceseeeeesecseesecneeseceaeecesaecaeesecnessesnaeeeeeas 33 Figura 21 Modos de opera o de um ejector ee eeeeesssecseeseceeeeecesecsessecaeesecnaesecsaeceessecseesecsaseesaeeeessesaeeaeeneess 38 Figura 22 Vista esquem tica de UM ejector t pico oo eee eeceseeseesecseeseceseeeceseceeesecaeesecnessecsaeeecsaecatesecneeseenaeseeeas 39 Figura 23 Diagrama de temperaturas no permutador de calor ocorr ncia de evapora o do fluido frio 45 Figura 24 COP para diferentes temperaturas do condensador e entrada do ejector eeeeeeecsseereeteeneeeeeneees 50 Figura 25 COP para diferentes temperaturas do evaporador e entrada do ejector 50 Figura 26 Coeficiente de arrastamento para diferentes temperaturas do condensador e entrada do
6. Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tiago Manuel Barroso Lima Relat rio do Projecto Final Disserta o do MIEM Orientador na FEUP Prof Armando Carlos Figueiredo Coelho de Oliveira Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mec nica Junho de 2009 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Resumo Este trabalho tem como objectivo o estudo de um sistema de micro cogera o comercial com um motor de combust o interna que acoplado a um gerador el ctrico permite a obten o de electricidade A este sistema foi adicionado um ciclo de ejec o de modo a permitir a produ o simult nea de calor frio O ciclo de ejec o accionado termicamente atrav s do aproveitamento do calor proveniente dos gases de exaust o Esse aproveitamento conseguido com a utiliza o de um permutador de calor Foi exigido a defini o do sistema a empregar e a elabora o do modelo matem tico do mesmo seguido da sua implementa o em software conhecendo as caracter sticas de rendimento do motor e modelando o ciclo de ejec o o que inclui o dimensionamento do ejector O modelo dever permitir a simula o do comportamento do sistema para a gera o
7. diz dnozzex dratio dm dair 72 10 35 0 0814 0 0142 0 17 0 0096 0 0147 1 53 0 0208 0 0329 90 10 35 0 0751 0 0271 0 36 0 0077 0 0136 1 76 0 0233 0 0331 72 10 37 0 0824 0 0077 0 09 0 0096 0 0147 1 53 0 0195 0 0317 90 10 37 0 0760 0 0204 0 27 0 0078 0 0137 1 76 0 0220 0 0318 90 8 35 0 0751 0 0209 0 28 0 0077 0 0140 1 81 0 0228 0 0326 Tabela 14 Comprimentos do ejector para diferentes condi es de opera o Te C Te CC Te CC Comprimento m Leony Lin La 72 10 35 0 06708 0 03833 0 04791 90 10 35 0 05409 0 03091 0 03864 72 10 37 0 06750 0 03837 0 04821 90 10 37 0 05442 0 03110 0 03887 90 8 35 0 05409 0 03091 0 03864 As dimens es do ejector para diferentes condi es de opera o foram estimadas baseadas no modelo similar ao do Huang et al Huang et al 1999 Os resultados obtidos est o sumarizados nas tabelas 13 e 14 O di metro na garganta da ponteira depende apenas do caudal m ssico que atravessa o gerador Para as mesmas temperaturas do evaporador e do condensador um aumento da temperatura no gerador implica um aumento do coeficiente de arrastamento da rela o de reas dratio dnozz dnozzex de dm Para as mesmas temperaturas do gerador e do condensador um aumento da temperatura de evapora o introduz um aumento do caud
8. kg kW h 1 m s kJ kg K kgh kWh kW kJ kg kg s bar kJ kg kw h kWw h kW hl kW kJ kg K C W m C xii Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o v Velocidade do fluido ms W Pot ncia el ctrica kW B Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o y Raz o entre o calor espec fico a press o e volume constante kJ kg K A Diferen a de valores referentes vari vel em causa E Efici ncia t rmica do permutador de calor AEMI Redu o das emiss es de CO n Efici ncias A Coeficiente de arrastamento p Massa vol mica do metano kg m p Efici ncia isentr pica na mistura dos fluidos Subscritos S mbolo Descri o S mbolo Descri o amb Ambiente ratio Raz o aq Aquecedor a g s S1 Situa o 1 B Caldeira a g s convencional S2 Situa o 2 CG Sistema de cogera o sh Sa da da sec o de rea constante CV Sistema convencional t til c Condensador te Transfer ncia de calor cony Convergente VD Venda c liq Sa da do condensador y In cio da mistura dif Difusor y pr Fluido prim rio no in cio da mistura e Evaporador y sec Fluido secund rio no in cio da mistura ele Electricidade 1 Entrada de combustivel na unidade CHP entr Suc o 2 gua de alimenta o g Entrada da ponteira 3 gua de retorno m Fluido mistura 4 Entrada do evaporador nozz Ponteira 5 Entrada da bomba nozz ex Sa da
9. es i ii iii 1 ii No caso das entidades que pretendam instalar unidades de cogera o a biomassa desde que esteja integrada no aquecimento do edif cio No caso das entidades que pretendam instalar unidades de micro produ o que utilizem outras fontes de energia diferentes da prevista no ponto anterior desde que estas disponham de colectores solares t rmicos para aquecimento de gua na instala o de consumo com m nimo de 2 m de rea de colector No caso dos condom nios desde que estes realizem uma auditoria energ tica ao edif cio e que tenham implementado as medidas de efici ncia energ tica identificadas nesta auditoria com per odo de retorno at dois anos Este regime caracteriza se Para cada produtor no regime bonificado definida uma tarifa nica de refer ncia aplic vel energia produzida no ano de instala o e nos cinco anos civis seguintes A tarifa nica de refer ncia aplic vel a cada produtor nos termos do ponto anterior a seguinte 12 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o a b iii a b c d e iv 2 2 3 Aos primeiros 10 MW de pot ncia de liga o registados a nivel nacional a tarifa de refer ncia de 650 MWh Por cada 10 MW adicionais de pot ncia de liga o registada a n vel nacional a tarifa nica aplic vel sucessivamente reduzida de 5 O tar
10. o 1 No entanto a decis o de incluir o aquecedor a g s na instala o n o pode ser precipitada uma vez que necess rio avaliar a situa o tamb m do ponto de vista econ mico 59 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 5 4 An lise econ mica No estudo econ mico procedeu se compara o do sistema em estudo com os sistemas convencionais de refer ncia e Na produ o de electricidade foi considerado o custo de electricidade da rede que de 0 11 kWh e Na produ o de calor til foi considerada uma caldeira que utiliza g s natural como comb stivel e Na produ o de frio foi considerada uma m quina de compress o de vapor el ctrica 5 4 1 Custos Nesta sec o ir o ser apresentados os diversos custos que envolvem os sistemas em compara o Tabela 30 M quina de compress o de vapor ar condicionado comum escolhido para compara o Megaclima 2007 Pot ncia de Custos Pot ncia el ctrica Fabricante Modelo arrefecimento consumida kW Instala o Outros dispon vel kW Sanyo FTCR 124 EH 1 055 3 6 1296 190 Sanyo FTCR 184 EH 1 65 5 15 1620 190 Tabela 31 Custos do sistema do sistema em estudo Senertec 2004 Nguyen V M 2001 Submarino 2006 Sistema Cogera o Ciclo de ejec o Custos Unidade CHP Ciclo de ejec
11. Dimens es do ejector para diferentes condi es de opera o 0 se eceseseessecseeeecseeeeceseeeeeseeseeseeneees 53 Tabela 14 Comprimentos do ejector para diferentes condi es de opera o ee seesecseeecseeseceseeeeeseceeeseeneees 53 Tabela 15 Dura o da esta o de aquecimento para os diversos locais em estudo ii 54 Tabela 16 Dura o da esta o de arrefecimento para os diversos locais em estudo 55 Tabela 17 reas de transfer ncia de calor do condensador nas duas situa es 56 Tabela 18 Electricidade anual produzida vendida no Porto erre ereeaeneraraeeana 56 Tabela 19 Electricidade anual produzida vendida em Lisboa e ereereraenererareeana 56 Tabela 20 Electricidade anual produzida vendida em Bragan a e rrereeaenererarerana 57 Tabela 21 Electricidade anual produzida vendida em Faro ccessesssscseeesceseseceseeeeesecseesecneesecsaeceeeaecaeeeeeneees 57 Tabela 22 Calor til anual produzido no Porto erre er eae eanercae ear aee aracanneranaeennn a 57 Tabela 23 Calor til anual produzido em Lisboa cre ere e ereeearacanae aeee racer e aracan o 57 Tabela 24 Calor til anual produzido em Bragan a er rreeererearacanaeaa anne racaerenaranan s 58 Tabela 25 Calor til anual produzido em Faro eee ecesescssesseesecseeeceeeeeceaeceeesecseesecneesecsaeeecsaecatesecsess
12. Finalmente o estudo ambiental leva a concluir que as emiss es de CO do sistema em estudo s o menores de que os tradicionais Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Study of a Micro CHP system with an internal combustion engine coupled to an ejector cooling cycle Abstract The objective of this report was to study a commercial Micro CHP system with an internal combustion engine that drives an electric generator to which an ejector cooling cycle was added in order to simultaneously produce power and cooling heating The cooling cycle is driven by heat recovered from the engine exhaust gases supplied through a heat exchanger The system configuration was defined and a mathematical model of the system was also developed The model was implemented in the EES environment allowing the simulation of the systems behavior Its behavior was compared to the behavior of a conventional system A cooling system and ejector was designed to work with heat input from a Dachs CHP unit using HFE 7000 as working fluid A 1 D ejector model was used It was used a 1D model developed by Huang Huang et al 1999 Ejector performance was evaluated for different operating conditions In order to compare the present system with a conventional one economic and environment analyses were made CO emissions The results indicated that in order to achieve an acceptable coefficient of pe
13. kWh Pot ncia do evaporador 4 93 kW Horas de funcionamento 1867 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 12 kWh Pre o do calor til total 0 18 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 70 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Para uma dada situa o os v rios pre os do calor til obtidos foram inferiores no sistema em estudo comparativamente aos sistemas convencionais de refer ncia E mais comparando os pre os do sistema de cogera o com e sem aquecimento auxiliar com seus os sistemas convencionais correspondentes verificou se que em todas as localidades estudadas a adi o de um aquecedor a g s n o afectou negativamente o pre o total do calor til pois o ganho diferen a entre o pre o do calor til do sistema em estudo e o do sistema convencional aproximadamente igual em ambas as situa es Esse ganho significativamente maior no Porto e em Bragan a relativamente s outras 5 4 3 Pre o da electricidade De seguida foi feita uma compara o directa entre o custo de electricidade da instala o de cogera o em estudo e de uma central el ctrica convencional Como uma instala o de cogera o apresenta uma vantagem extra relativamente a uma central el ctrica conve
14. til aquecimento 0 05 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11436 61 Custos de opera o 57 62 Pot ncia calor fica fornecida 12 5 kW Pre o do calor fornecido 0 05 kWh Pot ncia do evaporador 3 23 kW Horas de funcionamento 873 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 16 kWh Pre o do calor til total 0 21 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 62 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Os factores referentes aos encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o convencional e de cogera o de 2 10 e 30 anos respectivamente B 1 tempo de vida da instala o Nguyen et al 2001 Megaclima 2007 Os custos capitais foram retirados directamente das especifica es do fabricante Megaclima 2007 BAXI Senertec 2006 Tendo em considera o que o custo de equipamentos do ciclo de ejec o foi feita uma aproxima o do custo por quilowatt de pot ncia calor fica do evaporador Nguyen et al 2001 O pre o de compra de electricidade da rede considerado foi de 0 11 kWh Para o pre o de compra do g s natural tendo com refer ncia as principais distribuidoras de g s EDPg s
15. www ecpower co uk index php option com content amp view article amp id 96 amp Itemid 93 2006 ltima visita 6 de Julho de 2009 EDP g s Tarif rio do G s Natural http www edpgas com main php id 4 1 9 amp sub 23 amp sub2 27 amp sub3 34 ltima visita 6 Julho 2009 2009 EDUCOGEN Publishable Final Report 2002 ENATEC ENATEC MICRO COGEN B V http www enatec com stirling micro chp html ltima visita Maio 2009 ENGINION Micro CHP ENGINION Steamcell http gergpc dgc dk public Appliances_database mchp micro_chp__enginion_steamcell htm 2005 Ultima visita 6 Julho 2009 ERSE Boletim mensal da MIBEL 2009 Galp Energia Tarifario Gas Natural http gasnatural galpenergia com vPT Clientes Tarifario Gas Natural Domestico Paginas Tari farioDomestico aspx 2009 Ultima visita 6 Julho 2009 Gerador de Pre os Caldeira a g s 2006 ltima visita 6 Julho 2009 Godefroy J Boukhanouf R Riffat S Design testing and mathematical modeling of small scale CHP and cooling system small CHP ejector trigeneration Applied Thermal Engineering 27 p gs 68 77 2007 Green R Micro CHP amp Heat Pumps Low Carbon Technologies for Home Heating 2008 Guo J Shen H G Modeling solar driven ejector refrigeration system offering air conditioning for office buildings Energy and Buildings 41 p gs 175 181 2009 Harrison J Internal Combustion Engines http www microchp nl internal combustion engines htm 2007 ltima v
16. C alimenta o e 70 13 1 82 7 C alimenta o e Pot ncia calor fica kw C retorno 61 8 C retorno Combustivel kW 22 8 22 8 Ffici ncia el ctrica 24 24 6 Efici ncia t rmica 54 8 57 4 Efici ncia global 78 2 80 6 Intervalos de manutencao 3500 horas de opera o Dura o de vida horas gt 80 000 de opera o Ruido 56 dB A alm gt Caracter sticas de opera o Godefroy Godefroy et al 2007 no estudo de um sistema semelhante monitorizou o desempenho da unidade CHP da Dachs de modo a verificar as especifica es dadas pelo produtor Godefroy efectuou a medi o das temperaturas da gua sa da da unidade e de retorno consumo de g s natural e pot ncia el ctrica gerada usando um sistema de aquisi o de dados Os dados correspondentes a essa monitoriza o encontram se lado a lado com as especifica es fornecidas pela Senertec na Tabela 8 Comparando os dados das duas situa es em quest o verificou se que o desempenho da unidade de micro cogera o encontrava se muito perto das especifica es permitindo assim que o ciclo ejector seja operado a partir de uma fonte quente aproximadamente 83 C 34 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 3 1 2 Sistema de arrefecimento ciclo de ejec o gt Descri o do ciclo de arrefeccimento 2 O ciclo ejector um ciclo termo compressor em que
17. Diagrama esquem tico do sistema em estudo 3 11 O sistema CHP Instala o A unidade de micro cogera o seleccionada para o sistema em estudo foi a Dachs da empresa alem Senertec pelas seguintes raz es 1 Apresenta um menor pre o espec fico relativamente s outras unidades existentes no mercado ver tabela 8 11 As pot ncias el ctrica e calor fica produzidas s o significativas para uso dom stico 5 5 kW e 12 5 kW respectivamente ii Utiliza o g s natural como combust vel ver figura 4 Esta unidade possui um motor mono cil ndrico a quatro tempos com 579 cm de cilindrada acoplado a um gerador el ctrico trif sico de modo a produzir electricidade enquanto o calor proveniente dos gases de exaust o recuperado sob forma de gua quente A 33 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o opera o da unidade CHP comandada pela procura de calor ou seja a unidade liga e desliga quando a temperatura da gua de retorno se encontra abaixo de 70 C ou acima de 73 C respectivamente As especifica es do produtor desta unidade de micro cogera o est o presentes na Tabela 8 Tabela 8 Especifica es da unidade CHP Dachs e o desempenho monitorizado no estado est vel Godefroy et al 2007 Especifica es do produtor Desempenho monitorizado Pot ncia el ctrica kW 5 5 5 62 12 5 83
18. O desempenho do ejector pode ser expresso pela raz o de arrasto como m A 9 Mg Esta raz o representa o quociente entre o caudal m ssico do fluido que aspirado pelo caudal m ssico do fluido principal O desempenho de um ciclo de refrigera o geralmente expresso atrav s do seu coeficiente de performance COP A raz o de arrasto est relacionada com o COP de um ciclo de refrigera o da seguinte maneira Ah COP Qe A 10 Qg Ahg Em que Q Q Wiig 11 Os ejectores s o geralmente classificados em duas categorias rea constante e mistura a press o de constante Os ltimos apresentam um melhor desempenho e por isso s o o nico tipo de ejectores considerado ao longo deste estudo A teoria da mistura a press o constante de um ejector desenvolvida por Keenan et al frequentemente usada na an lise do mesmo Keenan et al 1950 Keenan e os restantes autores assumiram que a press o do fluido principal e secund rio sa da da c mara de suc o id ntica A mistura dos dois fluidos inicia se na c mara de suc o a uma press o constante desde sa da da ponteira nozzle at entrada da sec o de rea constante No entanto Munday e Bagster Munday e Bagster 1977 chegaram conclus o que depois da sa da da ponteira o fluido prim rio continua o seu percurso sem se misturar com o fluido secund rio e induz um canal convergente para o fluido secund rio Este canal actua
19. a redu o dos custos de energia que entretanto se verificou associada ao aumento das fontes energ ticas dispon veis e portanto a reduzidos pre os do combust vel e da electricidade levou a que as empresas industriais fossem abandonando essas instala es em que se combinavam a produ o de energia mec nica ou el ctrica e energia t rmica em detrimento da aquisi o de caldeiras destinadas exclusivamente produ o de energia t rmica e passando a comprar energia el ctrica s empresas produtoras e distribuidoras desta forma de energia Somente ap s as crises petrol feras dos anos setenta este aproveitamento combinado de recursos energ ticos voltou a ser incentivado e foi objecto de an lises te ricas mais elaboradas foram ent o desenvolvidas teorias de an lise do desempenho destas instala es que permitiram uma defini o adequada das condi es ptimas de funcionamento dos equipamentos de produ o combinada de electricidade e calor Esta integra o dos processos de produ o de energia mec nica e t rmica cresceu com mais vigor a partir de meados da d cada de setenta e passou desde ent o a ser designada pelo termo cogera o Pinho 2008 O objectivo da cogera o consiste em produzir electricidade ou energia mec nica e energia t rmica de modo a se utilizar a maior parte da energia qu mica reac o de oxida o contida no combust vel que fornecido instala o tirando se assim partido das limita
20. es inerentes convers o de calor em trabalho De um modo mais sucinto podemos dizer que a cogera o uma produ o sequencial de energia el ctrica ou mec nica e de energia t rmica til a partir da mesma fonte prim ria pois o aproveitamento da energia t rmica que numa instala o tradicional de produ o de energia el ctrica ou mec nica n o existe e que faz com que nos sistemas de cogera o se consiga um rendimento global de utiliza o de energia muito elevado Existem nomeadamente outras designa es alternativas ao termo cogera o todas elas relacionadas com a designa o dada anteriormente Assim h quem utilize o termo Produ o Combinada de Calor e Electricidade Combined Heat and Power CHP ou sistemas de Energia Total ou ainda o Aquecimento Comunit rio District Heating Esta ltima comum no Reino Unido e com ela denominam se instala es centralizadas para a produ o de calor destinado ao aquecimento de edif cios e em que se produz simultaneamente como subproduto electricidade Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o De um modo simples os projectos de cogera o iniciam se por uma das quatro raz es que se seguidamente se apresentam VV V Y 2 1 2 Projectos em que participam as pr prias companhias de electricidade Projectos de cogera o industrial Sistemas de aquecimento comunit rio Sistemas d
21. estrangulado e o fluido secund rio invertido avaria O ejector possui um melhor desempenho no modo cr tico de forma a obter maior efici ncia A teoria descrita acima revelou se incapaz de analisar o fen meno de estrangulamento que ocorre no fluido de trabalho secund rio quando o ejector opera no modo cr tico Por isso Huang et al 1999 foi desenvolvido um modelo monodimensional para analisar o desempenho de um ejector no modo cr tico Foi assumido que a mistura ocorre na zona de sec o constante e o fen meno de estrangulamento referente ao fluido secund rio predito 38 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Esse modelo matem tico monodimensional pode ser utilizado n o s para prever o desempenho do ejector dependendo das condi es de projecto mas tamb m para encontrar as dimens es requeridas do ejector O modelo baseado nessa teoria de mistura a press o constante vai ser apresentado em seguida Figura 22 Vista esquem tica de um ejector t pico gt Fluido prim rio atrav s da ponteira Para uma dada press o de estagna o P e temperatura T o caudal m ssico que atravessa a ponteira na condi o de estrangulamento pode ser obtido atrav s da seguinte equa o din mica de um g s 12 Em que Mnozz O coeficiente relacionado com a efici ncia isentr pica do fluido compress vel na ponteira As rela es
22. lvulas fechadas o ar encerrado no cilindro comprimido por ac o do pist o fazendo com que a temperatura do ar suba at aproximadamente 400 C De seguida o combust vel injectado no seio de ar quente inflamando se espontaneamente no contacto com este A injec o e a combust o continua durante parte da descida do pist o E por ltimo a v lvula de escape abre se permitindo que os gases queimados sejam descarregados para a atmosfera atrav s do sistema de escape Martins 2006 14 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o LID nad ae 7277 Nox APER q ELA on Figura 3 Os quatro tempos do motor de igni o por compress o a admiss o b compress o c combust o e d escape Pinho 2007 Os motores Diesel a quatro tempos apresentam uma raz o electricidade calor superior aos motores Otto e operam numa gama mais alargada de pot ncias que vai dos 5 kW at aos 10 MW Nos ltimos anos tem se assistido a uma tend ncia para usar biodiesel como combust vel principalmente em pa ses com maior sensibilidade ecol gica dada a sua excelente biodegrabilidade e baixa toxicidade Motores Otto O motor de combust o interna mais vulgar o motor a gasolina que se denomina motor de igni o comandada ou de igni o por fa sca O princ pio de funcionamento deste tipo de motores semelhante ao do motor Die
23. ntico ao do COP Tamb m se verificou que o desempenho do ciclo deixa de ter interesse para valores de temperaturas do gerador e do evaporador abaixo de 80 C e 10 C respectivamente bem como para valores de temperatura do condensador acima dos 35 C pois o COP encontrava se ligeiramente abaixo de 0 2 Perante essa adversidade ponderou se a hip tese de incorporar no sistema um aquecedor a g s de modo a elevar a temperatura do gerador para 90 C e assim obter um COP mais elevado O quinto cap tulo foi dedicado ao estudo energ tico e econ mico desse sistema em quatro localidades diferentes Porto Lisboa Bragan a e Faro Primeiramente procedeu se defini o do funcionamento do sistema de micro cogera o ao longo de um ano electricidade produzida vendida aquecimento ambiente por gua quente e guas sanit rias AQS na esta o de aquecimento e arrefecimento no Ver o Depois de definidas as dura es das esta es para os diferentes locais procedeu se ao c lculo e apresenta o dos valores de energia el ctrica de arrefecimento e de aquecimento obtidos num per odo de um ano Na avalia o da viabilidade econ mica do sistema foram considerados tr s par metros o pre o da electricidade o pre o do calor til e o tempo de amortiza o Os resultados obtidos foram comparados com sistemas convencionais de refer ncia electricidade da rede caldeira a g s e m quina de compress o de vapor el ctrica Para uma dad
24. o em kWh 0 0075 0 015 Extra Light Fuel Oil Light Fuel Oil Heavy Fuel Oil Rapeseed methyl ester A figura 4 fornece os pre os standards para sistemas de produ o combinada de calor e electricidade CHP de acordo com o combust vel utilizado Os pre os incluem hardware 16 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o transporte montagem e comiss es As linhas na figura 1 representam a m dia dos pre os de mais de 40 fornecedores 0 100 200 300 400 500 700 800 900 1000 Electrical Power Outpt kWel Figura 4 Custo de investimento de acordo com o combust vel consumido ASUE 2005 gt Actualidade Estes sistemas est o dispon veis comercialmente e s o produzidos em larga escala por v rios fabricantes mundiais O l der de mercado a empresa alem Senertec que apresenta um modelo conhecido como Dachs que gera uma pot ncia el ctrica de 5 5 kWeie e uma pot ncia t rmica de 12 5 kW dependendo do modelo do produto No final do ano de 2004 a Senertec anunciou que tinha vendido mais de 10000 unidades 17 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o G2 fis G 15 EET a Dachs HKA G and F 4 Gaari 7 lgriton 2 Coding wiler pume 17 Trarspor protection 2 Alr nunt conmecton 4 Gas voume reguistor 3 Flue gas hsatexchange with
25. o solar t rmica Varga et al 2008 Outro exemplo mais simples pode ser o uso de colectores solares t rmicos Figura 16 Micro cogera o com ciclo turbina a vapor ORC com alimenta o solar Oliveira 2008 A energia solar pode ser aproveitada com uso a colectores h bridos simultaneamente t rmicos e fotovoltaicos No entanto como esta tecnologia recente existem poucos produtos comerciais acerca deste tipo de colectores 28 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 3 Ciclo de ejec o 2 3 1 Contextualiza o As tecnologias existentes para sistemas de arrefecimento accionados termicamente resumem se principalmente em tr s absor o adsor o e ciclos de ejec o O ciclo ejector permite a convers o do calor proveniente de uma fonte apropriada em frio ou calor Este ciclo utilizando gua como refrigerante muitas vezes referido como ciclo de refrigera o por jacto vapor foi desenvolvido por Le Blanc e Parsons em 1901 e foi utilizado exaustivamente no passado A partir de 1990 este tipo de sistemas come ou novamente a ser investigado e utilizado em diversas aplica es designadamente na refrigera o dom stica Estes sistemas accionados termicamente come aram a ter aplica es significativas na refrigera o fundamentalmente por terem custos de fabrico e manuten o baixos relativamente aos restantes sistemas Munday e Bag
26. para a situa o 1 Factor de impacto ambiental situa o 1 Cogera o 4 42 Convencional 6 15 REM 1 39 AEMI 0 28 Os valores usados para quantificar os factores de emiss es de CO do g s natural e do gas leo usado nas centrais t rmicas convencionais forem de 0 194 e 0 568 kg kWh Godefroy et al 2007 Tabela 71 Factores de impacto ambiental referente s emiss es de CO kg h para a situa o 2 Factor de impacto ambiental situa o 2 Cogera o 4 16 Convencional 6 78 REM 1 42 AEMI 0 30 Ap s a observa o dos valores de REM e AEMI obtidos para ambas as situa es o impacto ambiental provocado pelo sistema de cogera o em estudo menor relativamente aos sistemas tradicionais Verificou se que a utiliza o do sistema de cogera o implica uma redu o de sensivelmente 30 das emiss es de CO relativamente ao sistemas convencionais de refer ncia Tamb m importante salientar que a op o de introduzir o aquecedor a g s no 80 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o sistema em estudo proporciona uma redu o embora pouco significativa de 2 nas emiss es de CO 81 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 7 Conclus es e Perspectivas de trabalho futuro A utiliza o de sistemas de micro cogera o com motore
27. rio e secund rio no ponto y respectivamente As propriedades termodin micas nomeadamente as velocidades vi e entalpias h locais presentes nas equa es 22 e 23 podem ser obtidas atrav s das seguintes equa es hy cpT CA Vi c Ma 25 Cj yRT 26 gt Fluido misturado no ponto de mistura ponto m depois da ocorr ncia de choque No ponto sh verifica se a ocorr ncia de um choque supers nico com uma subida s bita da press o Assumindo que o fluido misturado ap s o choque sofre uma evolu o isentr pica o fluido mistura entre os pontos m e sh dentro da sec o de rea constante tem uma press o uniforme Psp Psh 2y 1 4 Ma2 1 P FFI am 1 27 A 1 5 mai Mash ER end 1 28 lene ope gt Fluido misturado atrav s do difusor 42 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o No difusor a press o do fluido aumenta at atingir a press o do condensador A rela o entre P e Psn pode ser expressa da seguinte maneira y 1 P y Br 1 Nait Maj sec 29 onde naif o coeficiente relacionado com a efici ncia isentr pica do fluido misturado no difusor As reas das v rias sec es ao longo do ejector nomeadamente os respectivos di metros podem ser calculados atrav s da resolu o simult nea das equa es 1 a 29 usando um m todo num rico ou com recurso a softwares apropriados como por e
28. 16 Basa frame with itake silbncet 3 Gas Mutibioch 9 Transport protaction oaidation catatyser 19 Fleer sump with rubber bearings a Mangas volvo 10 Gonorator Flue gas sions zu Ore way Flue connection VE Conticilos MSR n 12V stare 21 Shy mounted notar support 8 Eroma 6 2 phoso mains stator 22 Lubicam of nhor Figura 5 Vista frontal e lateral de Dachs HKA G e F Senertec 2004 Para al m da Senertec a Power Plus tamb m apresenta no mercado um modelo conhecido por Ecopower capaz de variar a produ o de energia el ctrica e t rmica Figura 6 Ecopower ECPOWER 2006 e Spilling PowerTherm 2006 Existem outras empresas que comercializam este tipo de produtos entre as quais de destacam a Honda Ecowill a Yanmar Genelight a AISIN a TEDOM a Kraftwerk Mephisto a GIESE Energie Energator GB 4 8 entre outras Essas unidades podem ser observadas na figuras 6 7 e 8 18 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o a Figura 8 Yanmar YANMAR 2006 e TENDOM TENDOM 2006 19 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 2 Algumas caracteristicas das unidades de micro cogera o que usam motores de combust o interna dispon veis comercialmente ajueIpe STRUT opnyso W9 osvo O emed epuoroogyas O 10 siod feinjeN sgo O 9 poapsnquios O nb eju
29. 3415 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 12 kWh Tabela 57 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Faro Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24819 83 Custos de opera o 225 39 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Horas de funcionamento 3415 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 12 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Para uma mesma situa o os pre os da electricidade obtidos para o sistema em estudo revelaram se id nticos ao pre o da electricidade da rede no caso do Porto e Bragan a Contudo em Lisboa e Faro os pre os obtidos foram relativamente superiores 0 12 kWh Apesar disso num determinado local o pre o da electricidade foi id ntico para as duas situa es em an lise 5 4 4 Tempo de amortiza o O tempo de amortiza o de uma instala o define se como d ve Investimento 42 empo de amortiza o ST P Ganho relativo do sistema durante 1 ano O ganho relativo do sistema durante um ano tem em considera o n o s o ganho representativo da venda de electricidade rede como tamb m a energia que se poupa relativamente ao um sistema de convencional de refer ncia No
30. 62 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Porto Sistema de cogera o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 13000 Custos de opera o 216 81 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Horas de funcionamento 2412 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Tabela 63 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Lisboa Sistema de cogera o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 13000 Custos de opera o 239 38 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Horas de funcionamento 1908 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 26 kWh 76 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 64 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Bragan a Sistema de cogera o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 13000 Custos de opera o 260 30 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do Gas Natural 0 0423 kWh Horas de funcionamento 2880 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Tabela 65 Pre o da electricidade para o sistema de cog
31. Ambiente e AOS e pp DR iG aa 58 5 3 JAtrefecimento nenies n tae al aa de da pgfeaganca tiie ene eee 59 34 2 1 4 Gol con m1 61100 0 ar nee ORO Ree en Ee A ne ne 60 SAA MUNDOS seess at sh Sa ts eB dada ia tars RD e aati ae Dad Sinead 61 54 2 Preco do calor tl dreint te r e e fd a suada Feed 62 Sd Pre o da clecin Cid Ade yi sess e SR RR e eas 12 5 4 4 Tempo de amortiza o cicissccciisisesssscsudeatiassavedsdsessadeassascdes seceeduaaveszceusadendeateunes 75 5 4 5 Vantagem Inconviniente da adi o do ciclo de ejec o eee eeeeeeeteeeeteeees 71 6 Avalia o do impacto ambiental ssessesesssesssessssseessessessressersressessesssssnesseesoesstsseessessessees 80 6 1 Condi es para a exist ncia de cogera es amig veis para o ambiente 80 7 Conclus es e Perspectivas de trabalho futuro aaa oissscsecgseccddalesedarasareeeuaiseccantersaedstienceacaate 83 8 Reler ncias e Bibliografia vis sisiciacassiedasasiaesaseedaatacgsnaacs da Pedais an n R ad pa DS 86 ANEXO A rea coberta pela rede de g s natural teens 87 ANEXO B Efici ncias isentr picas presentes na literatura 89 ANEXO C Desempenho do ciclo de ejec o para diferentes condi es de opera o 90 ANEXO D Calculo dos COPs m dios sacia span ia aia nie ae ee 93 ndice de Tabelas Tabela 1 Caracter sticas dos motores de combust o interna Simader G 2006 16 Tabela 2 Algumas carac
32. Energia de arrefecimento anual produzida em Lisboa Tabela 28 Energia de arrefecimento anual produzida em Bragan a Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 1719 1719 h ano COP m dio 0 22 0 33 Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Pot ncia el ctrica da bomba 0 7 0 7 kW Pot ncia calor fica do evaporador 2 88 4 91 kW Energia anual kWh Tabela 29 Energia de arrefecimento anual produzida em Faro Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 1064 1064 h ano COP m dio 0 19 0 31 Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Pot ncia el ctrica da bomba 0 7 0 7 kW Pot ncia calor fica do evaporador 2 57 4 54 kW Energia anual kWh Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 1867 1867 h ano COP m dio 0 22 0 34 Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Pot ncia el ctrica da bomba 0 7 0 7 kW Pot ncia calor fica do evaporador 2 91 4 93 kW Energia anual kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o A partir das tabelas 26 a 29 podemos observar que para uma mesma situa o a energia anual de arrefecimento obtida maior em Faro por este apresentar um periodo de arrefecimento maior em rela o aos outros locais Contudo nas alternativas em estudo a situa o 2 revelou se sempre mais favor vel que a situa
33. Engineering ToolBox Heat Transfer Coefficients in Heat Exchangers http www engineeringtoolbox com heat transfer coefficients exchangers d_450 html 2005 Ultima visita 6 Julho 2009 88 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o TURBODEN http www turboden eu it home index php ltima visita 6 Julho 2009 2006 Varga S Oliveira A B Diaconu Analisys of a solar assisted ejector cooling system of air conditioning Literary and Linguistic Computing17 p gs 1 7 2008 Varga S Oliveira A C B Diaconu Numerical assessment of steam ejector efficiences using CFD International Journal Of Refrigeration XXX 1 9 2009 Vidal H Colle S Pereira G Modelling and hourly simulation of solar ejector cooling system Applied Thermal Engineering 26 663 672 2006 Wang J Dai Y Sun Z A theoretical study on a novel combined power and ejector refrigeration cycle International Journal of Refrigeration XXX 1 9 2009 YANMAR 5 kW Cogeneration http www yanmar co jp en energy cogeneration Skw html 2006 ltima visita 6 Julho 2009 Yapici R Ersoy H K Aktoprakoglu A Halkaci H S Yigit O Experimental determination of optimum performance ejector refrigeration system depending on ejector area ratio International Journal of Refrigeration 31 pags 1183 1189 2008 Yu J Zhao H Li Y Application of an ejector in auticascade refrigeration cycle for improvement I
34. Tabela 64 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Braganga sessesssecsseeecneeeecsseeeeeseeaeeseeneees 17 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 65 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Faro ea 17 Tabela 66 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Porto ee 17 Tabela 67 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Lisboa ra 17 Tabela 68 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Bragan a aerea 78 Tabela 69 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Faro errar 78 Tabela 70 Factores de impacto ambiental referente s emiss es de CO kg h para a situa o 1 80 Tabela 71 Factores de impacto ambiental referente s emiss es de CO kg h para a situa o 2 80 Tabela B 1 Efici ncias isentr picas do ejector retiradas da literatura Varga S 2009 92 Tabela C 1 COP em fun o da temperatura do condensador para T 72 C e Te 10 C eeeeeceseseseseteteteteeees 93 Tabela C 2 COP em fun o da temperatura do condensador para T 90 C e Te 10 C 93 Tabela C 3 COP em fun o da temperatura do evaporador para T 72 C e T 35 C e 93 Tabela C 4 COP em fun o da temperatura do evaporador para T 90 C e
35. Te 35 C 94 Tabela C 5 em fun o da temperatura do condensador para T 72 C e Te 10 C weececcecccessseeesseenseeenees 94 Tabela C 6 em fun o da temperatura do condensador para T 90 C e Te 10 C eres 94 Tabela C 7 em fun o da temperatura do evaporador para T 72 C e Te 35 C eee 95 Tabela C 8 em fun o da temperatura do evaporador para T 90 C e Te 35 C eee 95 Tabela D 1 Resultados obtidos para a situa o 1 no Porto eee 96 Tabela D 2 Resultados obtidos para a situa o 2 NO Porto e rrerereearereerer araras 96 Tabela D 3 Resultados obtidos para a situa o 1 no Lisboa erre ereeaenererareeanaa 97 Tabela D 4 Resultados obtidos para a situa o 2 no Lisboa e rrerereerrereerer erra 97 Tabela D 5 Resultados obtidos para a situa o 1 em Bragan a eee 98 Tabela D 6 Resultados obtidos para a situa o 2 em Bragan a eee 98 Tabela D 7 Resultados obtidos para a situa o 1 em Faro eee rereereaeeareateaa 99 Tabela D 8 Resultados obtidos para a situa o 2 em Faro re rreereraeeraraenaerarareean a 99 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o ndice de Figuras Figura 1 Compara o dos rendimentos entre cogera o e produ o separada de calor e el
36. Te CC A 5 0 02107 6 0 04881 7 0 07789 8 0 1083 9 0 1403 10 0 174 11 0 2095 12 0 247 13 0 2868 14 0 3289 15 0 3738 Tabela C 8 em fun o da temperatura do evaporador para T 90 C e T 35 C T CC A 5 0 1705 6 0 2036 7 0 2398 8 0 278 9 0 3182 10 0 3607 11 0 4057 12 0 4534 13 0 5041 14 0 5582 15 0 616 Te 10 C E Tg 90 C o Tg 72 C OrRPRFNWwWshtuoan Pot ncia de arrefecimento 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 cg Figura C 1 Evolu o da pot ncia de arrefecimento com a temperatura do condensador 95 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o ANEXO D C lculo dos COPs m dios Foi considerada a gama de temperaturas do condensador anteriormente estudada entre 30 40 C De forma a obter o COP m dio do sistemas para as diferentes situa es foi necess rio considerar as frequ ncias de ocorr ncias repectivas Nas tabelas abaixo podem ser observados os valores obtidos para as temperaturas ambientes Tabela D 1 Resultados obtidos para a situa o 1 no Porto o a N mero de Frequ ncia de COF Qc W Ate m T CO Tam CC ocorr ncias orere f Corr 0 3052 17255 4 72 30 21 321 0 3677 0 1122 0 2623 16683 4 72 31 23 196
37. a situa o 1 em Bragan a 2 x 3 N mero de Frequ ncia de COP Qc W Ate mm Te CC Tamb C ocorr ncias SREE F COETY 0 3052 17255 4 72 30 21 224 0 2105 0 0643 0 2623 16683 4 72 31 23 171 0 1607 0 0422 0 2226 16154 4 72 32 24 145 0 1363 0 0303 0 1862 15665 4 72 33 25 125 0 1175 0 0219 0 1523 15211 4 72 34 26 107 0 1006 0 0153 0 1208 14790 4 72 35 28 78 0 0733 0 0089 0 0917 14397 4 72 36 29 80 0 0752 0 0069 0 0644 14031 4 72 37 30 58 0 0545 0 0035 0 0390 13688 4 72 38 31 33 0 0310 0 0012 0 0153 13367 4 72 39 32 31 0 0291 0 0004 0 0000 13067 4 72 40 33 12 0 0113 0 0000 Horas de 1064 COP m dio 0 19 funcionamento Tabela D 6 Resultados obtidos para a situa o 2 em Bragan a 2 d N mero de Frequ ncia de COP OM MicGm Tete Text CC ocorr ncias as 1 CORA 0 4271 18908 5 21 30 21 224 0 2105 0 0899 0 3812 18299 5 21 31 23 171 0 1607 0 0613 0 3389 17738 5 21 32 24 145 0 1363 0 0462 0 2998 17219 5 21 33 25 125 0 1175 0 0352 0 2635 16738 5 21 34 26 107 0 1006 0 0265 0 2299 16292 5 21 35 28 78 0 0733 0 0169 0 1986 15876 5 21 36 29 80 0 0752 0 0149 0 1695 15489 5 21 37 30 58 0 0545 0 0092 0 1424 15127 5 21 38 31 33 0 0310 0 0044 0 117 14789 5 21 39 32 31 0 0291 0 0034 0 09323 14472 5 21 40 33 12 0 0113 0 0011 Horas ue 1064 COP m dio 0 31 fun
38. caso em estudo o ganho relativo tem em conta a electricidade vendida rede a poupan a energ tica no aquecimento ambiente e AQS e no arrefecimento No sistema em estudo o tempo de amortiza o pode ser determinado Ceg temp amor _ a anne _cOeee_ lt 3U lt Pele vp Were H Pp FB H Pocy Fey H 43 Os tempos de amortiza o correspondentes as diferentes situa es e para cada um dos locais de implementa o selecionados podem ser consultados na tabelas 58 a 61 Tabela 58 Tempos de amortiza o obtidos para o Porto Ganho relativo anual Situa o 1 Situa o 2 Energia kWh Ganho Energia kWh Ganho Electricidade vendida 18068 1987 43 18068 1987 43 Poupan a AQS 30150 1275 35 33768 1428 39 Poupanca Arrefecimento 921 101 31 1440 158 45 Tempo de amortiza o anos 74 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 59 Tempos de amortiza o obtidos para Lisboa Ganho relativo anual Situa o 1 Situa o 2 Energia kWh Ganho Energia kWh Ganho Electricidade vendida 19949 2194 34 19949 2194 34 Poupan a AQS 23850 1130 49 26712 1266 15 Poupan a Arrefecimento 1814 199 49 2836 312 00 Tempo de amortiza o anos Tabela 60 Tempos de amortiza o obtidos para Bragan a
39. consideradas duas situa es diferentes j antes referidas no cap tulo anterior Na primeira situa o foi considerado que a temperatura do gerador era de 72 C e n o havia necessidade de aquecimento auxiliar Enquanto que na segunda situa o foi considerado a agrega o de um aqueccedor a g s no sistema de modo a elevar a temperatura do gerador at 90 C Estas situa es foram objecto de estudo de modo a determinar se a adi o do aquecedor ben fico do ponto de vista econ mico Primeiramente foi necess rio calcular a rea de transfer ncia de calor do condensador para as condi es de projecto condi es nominais Qe U Ate Te Tamb 33 Considerando que Tc Tamb 7 C e que o coeficiente global de transfer ncia de calor U de 425 W m C The Engineering Toolbox 2005 obteve se o seguinte 55 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 17 reas de transfer ncia de calor do condensador nas duas situa es Situa o 1 Situa o 2 Q 14031W 15489W Ac 42m Ac 52m De seguida procedeu se ao rec lculo da temperatura exterior tendo em conta a rea anteriormente calculada atrav s do estudo do comportamento do sistema O c lculo detalhado dos COPs m dios e das horas de funcionamento do sistema podem ser consultados no anexo D Com a determina o do COP m dio foi po
40. de electricidade e arrefecimento Finalmente pretende se comparar o comportamento em quest o com o de um sistema convencional O ciclo de ejec o foi projectado de modo a aproveitar o calor til fornecido pela unidade CHP da Dachs utilizando HFE 7000 como fluido de trabalho Foi utilizado um modelo monodimensional desenvolvido por Huang Huang et al 1999 que considera efici ncias isentr picas para contabilizar as perdas por fric o e na mistura O desempenho do ejector foi avaliado para diferentes condi es de opera o Na compara o do sistema com o convencional foi feita uma an lise energ tica econ mica e ambiental emiss es de CO2 Os resultados indicam que para alcan ar um COP aceit vel a temperatura do gerador tem de ter um valor m nimo de 80 C Por sua vez as temperaturas do evaporador e do condensador abaixo de 10 C e acima de 35 C respectivamente resultaram numa queda no desempenho do ejector Portanto estas condi es podem ser identificadas como as m nimas de projecto As dimens es do ejector foram calculadas tem com base na teoria da mistura a press o constante Keenan et al 1950 Para que o sistema de arrefecimento ejector por si s se torne economicamente vi vel necess rio reduzir o seu custo capital da instala o No entanto esse sistema em conjunto com uma unidade de micro cogera o calor e electricidade permite obter tempos de amortiza o bastante aceit veis menos de 8 anos
41. de projecto Dimens es Valor m 0 0096 dizze 0 0147 dm 0 0208 daif 0 0329 Edir 0 0671 Da 0 0480 Laif 0 0383 De seguida estudou se o comportamento do sistema para diferentes condi es de opera o Para isso considerou se duas hip teses i Em primeiro lugar considerou se o sistema representado na figura 23 sem que houvesse necessidade de qualquer aquecimento auxiliar ap s a passagem do fluido frigorig neo no permutador A temperatura do gerador a de projecto Ty 72 C Situa o 1 ii Na hip tese alternativa uma vez que a temperatura conseguida entrada do ejector baixa considerou se que seria introduzido um aquecedor a gas de modo a obter a condi o de vapor saturado entrada do ejector T para uma temperatura de 90 C Situa o 2 Na situa o 2 a pot ncia calor fica de g s natural necess ria de 24 56 kW pois est incluido a pot ncia auxiliar disponibilizada pelo aquecedor de g s que eleva a temperatura do gerador para 90 C Pce Foda 5 aq 31 49 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Qi CON Qua 32 em que a pot ncia calor fica auxiliar obtida foi de 1 5 kW e o rendimento do aquecedor de 0 85 Nesta situa o o calor til aproveitado pelo permutador de calor de 14 kW O comportamento demonstrado pelo sistema nas hip teses c
42. do comportamento global do sistema foram obtidas atrav s da base de dados presente no programa de simula o utilizado EES Para a simula o do comportamento do sistema no sofware acima mencionado foi necess rio modificar os limites de algumas vari veis na op o Variable Info e em alguns casos atribuir um valor de estimativa inicial de modo a obter uma solu o nica As altera es efectuadas encontram se descritas na tabela seguinte Tabela 10 Estimativa inicial e limites das solu es modificados Vari veis Estimativa inicial Limite inferior Limite superior Em 230 m s 0 Infinito Man 1 0 Infinito Manozz ex 1 0 Infinito Mash 1 0 Infinito May pr 1 0 Infinito May sec 1 0 Infinito Py 30000 Pa Py pr Infinito Tm 1 K 0 Infinito gt Selec o do fluido de trabalho Muitos factores devem ser ponderados na selec o de um fluido frigorig neo Aqueles podem ser agrupados em tr s categorias i Termodinamicas press o de evapora o condensa o temperatura de congela o calor latente de vaporiza o volume por tonelada de refrigera o ii Qu micas inflamabilidade toxicidade estabilidade relativamente aos materiais componentes iii F sicas detec o viscosidade condutibilidade t rmica miscibilidade com o leo custo prefer ncia individual 46 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna A
43. ejector 51 Figura 27 Coeficiente de arrastamento para diferentes temperaturas do evaporador e entrada do ejector 52 Figura A 1 Mapa do projecto de g s natural Direc o Geral de Energia 2001 91 Figura C 1 Evolu o da pot ncia de arrefecimento com a temperatura do condensador 95 xi Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Nomenclatura S mbolo Descri o rea Factor de emiss o de CO da electricidade da rede Factor de emiss o de CO caracter stico desse combust vel Custo capital da instala o Velocidade s nica Coeficiente de desempenho do ciclo de ejec o Calor espec fico do g s a press o constante Di metro Factor de impacto ambiental referente s emiss es de CO2 Energia produzida anual Frequ ncia de ocorr ncias Pot ncia de calor fica el ctrica fornecida Potencial de Aquecimento Global Horas de funcionamento anuais Entalpia do fluido de trabalho Comprimento N mero de Mach Caudal m ssico do fluido de trabalho Potencial de Destrui o do Ozono Custos de opera o e manuten o Press o Poder calor fico inferior do metano Pre o da electricidade Pre o do combust vel Pre o do calor til Pot ncia calor fica Constante do g s Raz o de emiss o de CO entre os sistemas envolvidos Temperatura Coeficiente global de transfer ncia de calor Unidades 2 m kg kW h
44. existentes no mercado CEETA 2001 Pot ncia Rendimento Pot ncia Rendimento Fabricante Modelo el ctrica el ctrico t rmica Cogera o kW kW Turbogen 45 24 13 5 100 312 71 82 Bowman TG50CG Power Turbogen 80 26 14 150 420 76 89 TG80CG T100 CHP Turbec 100 30 167 80 System Model 30 kW 30 27 Aprox 55 62 88 Capstone Model 60 kW 60 28 Aprox 110 62 88 Honeywell Parallon 75 75 30 90 66 Ingersoll Powerworks 70 70 28 110 80 Rand 2 2 3 3 Sistemas de micro cogera o com ciclo Motor Stirling Neste motor inventado em 1816 pelo reverendo Robert Stirling na Esc cia a combust o ao contr rio dos motores de igni o por fa sca tem lugar numa c mara de 22 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o combust o separada O g s de trabalho por exemplo nitrog nio ou h lio movido por um pist o entre uma c mara a alta temperatura e outra a muito baixa temperatura Ao regressar da c mara a alta temperatura o g s atravessa um regenerador que consiste numa malha cer mica ou nem metal poroso que captura o calor do g s quente e o devolve medida que o g s frio regressa c mara quente Bumer sacten Heslsulenga amp Regenartor Comer Eza Dang Figura 10 Motor Stirling da Disenco 3 kWa e 15 kW DISENCO 2007 Gra as ao facto da combust o ser feita
45. kW t rmica kW Baxi Innotech 1 5 3 PEMFC Intelligent Energy 2 5 Vaillant Plugpower 5 T7 Sulzer Hexis 3 SOFC CFCL Ceramic Fuel Cells 1 1 Ceres Power 1 2 2 3 6 Sistemas com uso a fontes renov veis de energia Os sistemas de micro cogera o com uso a fontes renov veis de energia s o simplesmente a combina o da tecnologia j desenvolvida para a micro cogera o que actualmente na sua maioria usam combust veis f sseis como por exemplo o g s natural e da tecnologia j existente ao n vel das energias renov veis como por exemplo e lica ou fotovoltaica A integra o das energias renov veis nas unidades de micro cogera o permite o 27 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o desenvolvimento de sistemas energ ticos sustent veis com elevado potencial de penetra o no mercado devido ao seu ben fico impacto ambiental e econ mico gt Actualidade Neste tipo de sistemas a micro cogera o pode ser e lica fotovoltaica entre outras ou at mesmo resultar da combina o de v rias tecnologias que usam fontes de energia renov veis designando se por micro cogera o h brida A electricidade produzida pode ser utilizada para auto consumo ou at mesmo ser vendida rede Ejector Condenser Storage tank E 5 Collector Teoilout Figura 15 Esquema simplificado de um sistema de micro cogera
46. o efeito de compress o conseguido atrav s da utiliza o de uma fonte calor acoplado directamente ao ejector de modo a conduzir o fluido frigorig neo de fora do evaporador e para dentro do condensador Um diagrama esquem tico do sistema de arrefecimento dado pela figura 20 enquanto a figura 22 mostra uma vista esquem tica do ejector No sistema presente na Figura 20 o ciclo de ejec o accionado pelo calor proveniente da unidade CHP fornecido atrav s de um permutador de calor de modo a que o fluido frigorig neo atinja o estado de vapor saturado entrada do ejector gt Modelo matem tico do ciclo de ejec o Na modela o do ciclo de ejec o bem como no dimensionamento do ejector foram tidas em conta as seguintes considera es 1 O fluido de trabalho um g s ideal com propriedades constantes nomeadamente C R ey 2 O fluxo que circula dentro do ejector estacion rio e monodimensional 3 A energia cin tica entrada do ejector dos fluidos prim rio e secund rio e sa da do difusor desprez vel 4 Para simplicidade do modelo monodimensional considerado as rela es isentr picas s o usadas como uma aproxima o No entanto tendo em conta que o processo n o ideal s o introduzidos coeficientes nas rela es isentr picas de modo a contabilizar os efeitos de fric o e as perdas na mistura dos fluidos Esses coeficientes est o relacionados com as efici ncias isentr picas e podem se
47. para a redu o da depend ncia energ tica do pa s consiste na abordagem integrada do servi o energ tico junto do consumidor final A liberaliza o do mercado da electricidade abrir em Portugal portas para o aparecimento de empresas especializadas na presta o de servi os de energia as denominadas ESCOs Energy Services Companies Actualmente apenas se encontram instaladas algumas unidades em hot is e piscinas o mercado potencial estimado at 150 kWete de 500 MW Esse potencial instalado resultaria numa redu o de 0 3 milh es de toneladas de CO De acordo com o estudo efectuado pela CEETA CEETA 2001 a penetra o da micro cogera o em Portugal e na Europa muito reduzida devido essencialmente a factores de ordem pol tica e legislativa A aus ncia de um enquadramento adequado limita por enquanto a atractividade da micro cogera o A equipara o da micro cogera o cogera o por exemplo ao n vel do acesso a tarifas de g s natural especiais poder criar condi es para que a micro cogera o se torne efectivamente uma actividade atractiva Devido a esse facto o Minist rio da Economia e da Inova o aprovou em Novembro de 2007 um novo decreto lei Minist rio da Economia e Inova o 2007 que visa estabelecer o regime jur dico aplic vel produ o de electricidade por interm dio de instala es de pequena pot ncia designadas por unidades de micro produ o Aplica se s unidades
48. 0 1695 38 0 1424 39 0 117 40 0 09323 Tabela C 3 COP em fun o da temperatura do evaporador para T 72 C e T 35 C Te CC COP 5 0 01412 6 0 03294 7 0 05292 8 0 07415 9 0 09673 10 0 1208 11 0 1464 12 0 1739 13 0 2032 14 0 2347 15 0 2685 93 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela C 4 COP em fun o da temperatura do evaporador para T 90 C e T 35 C Te CC COP 5 0 1059 6 0 1262 7 0 1497 8 0 1747 9 0 2014 10 0 2299 11 0 2604 12 0 293 13 0 3281 14 0 3657 15 0 4063 Tabela C 5 em fun o da temperatura do condensador para T 72 C e Te 10 C T CC A 30 0 4334 31 0 3734 32 0 318 33 0 2665 34 0 2186 35 0 174 36 0 1323 37 0 09325 38 0 05661 39 0 02217 40 Tabela C 6 em fun o da temperatura do condensador para T 90 C e T 10 C Te CC A 30 0 6589 31 0 59 32 0 5262 33 0 467 34 0 412 35 0 3607 36 0 3127 37 0 2679 38 0 2258 39 0 1862 40 0 149 94 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela C 7 em fun o da temperatura do evaporador para T 72 C e T 35 C
49. 0 2245 0 0589 0 2226 16154 4 72 32 24 154 0 1764 0 0393 0 1862 15665 4 72 33 25 91 0 1042 0 0194 0 1523 15211 4 72 34 26 54 0 0619 0 0094 0 1208 14790 4 72 35 28 19 0 0218 0 0026 0 0917 14397 4 72 36 29 12 0 0137 0 0013 0 0644 14031 4 72 37 30 15 0 0172 0 0011 0 0390 13688 4 72 38 31 5 0 0057 0 0002 0 0153 13367 4 72 39 32 2 0 0023 0 0000 0 0000 13067 4 72 40 33 4 0 0046 0 0000 ree de 873 COP m dio 0 24 uncionamento Tabela D 2 Resultados obtidos para a situa o 2 no Porto A 3 N mero de Frequ ncia de COF Qe W Ate m Te CC Tams CC ocorr ncias a eho f corm 0 4271 18908 5 21 30 21 321 0 3677 0 1570 0 3812 18299 5 21 31 23 196 0 2245 0 0856 0 3389 17738 5 21 32 24 154 0 1764 0 0598 0 2998 17219 5 21 33 25 91 0 1042 0 0313 0 2635 16738 5 21 34 26 54 0 0619 0 0163 0 2299 16292 5 21 35 28 19 0 0218 0 0050 0 1986 15876 5 21 36 29 12 0 0137 0 0027 0 1695 15489 5 21 37 30 15 0 0172 0 0029 0 1424 15127 5 21 38 31 5 0 0057 0 0008 0 117 14789 5 21 39 32 2 0 0023 0 0003 0 09323 14472 5 21 40 33 4 0 0046 0 0004 ese ae 873 COP m dio 0 36 uncionamento 96 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela D 3 Resultados obtidos para a situa o 1 no Lisboa 2 3 o N mero de
50. 2009 Galp Energia 2009 foi necess rio verificar o escal o em qual estava inserido Fcc 3600 H Consumo anual L 5 40 PCI p Tabela 35 Consumos anuais correspondentes A qi Sy Consumo anual m Pot ncia Gas natural kW RSA Wishes SE Faro 22 8 1987 3912 2422 4249 24 56 2140 4214 2609 4571 Foram considerados PCI CH4 49949 kJ kg e p CH3 0 722 kg m Como os consumos anuais est o compreendidos entre 1000 10000 m escal o 4 o pre o do g s natural de 0 0423 kWh para o Porto e Bragan a e de 0 0474 kWh para Lisboa e Faro No sistema de cogera o o pre o de venda da electricidade considerado foi 0 11 kWh pois segundo a refer ncia Minist rio da Economia e Inova o 2007 este tipo de sistemas est inserido no regime geral anteriormente mencionado no cap tulo 2 Foi considerado o pior caso poss vel o pre o de venda de electricidade rede id ntico ao pre o de compra do consumidor 63 Tabela 36 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 no Porto Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1810 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 65 kW Horas de funcionamento 873 horas ano P
51. 37 30 38 0 0204 0 0034 0 1424 15127 5 21 38 31 23 0 0123 0 0018 0 117 14789 5 21 39 32 6 0 0032 0 0004 0 09323 14472 5 21 40 33 2 0 0011 0 0001 Horas de 1867 COR ABA funcionamento m dio 99
52. 57 kW Horas de funcionamento 1064 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 15 kWh Pre o do calor til total 0 20 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 44 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 em Bragan a Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 190 08 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Pot ncia de calor til 14 00 kW Horas de funcionamento 2880 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 05 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11819 83 Custos de opera o 70 22 Pot ncia calor fica fornecida 14 00 kW Pre o do calor fornecido 0 05 kWh Pot ncia do evaporador 4 54 kW Horas de funcionamento 1064 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 11 kWh Pre o do calor til total 0 15 kWh Tabela 45
53. Aquecimento prreteeimente Situa o 1 e 2 Pot ncia el ctrica produzida 5 5 5 5 Horas de funcionamento 1548 1867 Energia produzida 8514 10269 Energia anual produzida kWh Como se pode observar a electricidade produzida pelo sistema em estudo maior em Bragan a uma vez que a dura o do periodo de aquecimento elevada O Porto foi o local que apresentou valores de energia mais baixos nomeadamente porque durante o periodo de arrefecimento o n mero de horas de funcionamento do sistema reduzido 5 2 Aquecimento Ambiente e AQS Nesta sec o ser apresentado valores de energia anuais produzidos aquecimento E Qe H Tabela 22 Calor til anual produzido no Porto Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 2412 2412 h ano Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Energia anual 30150 33768 kWh Tabela 23 Calor til anual produzido em Lisboa Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 1908 1908 h ano Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW 23850 26712 kWh Energia anual para o 57 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 24 Calor til anual produzido em Bragan a Tabela 25 Calor til anual produzido em Faro Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcioname
54. Ciclo de Ejec o Para o Pa s gt Vantagens Economia de energia prim ria A economia de energia prim ria deve se nos ciclos de topo menor quantidade de combust vel e que indexado produ o de electricidade enquanto nos ciclos de fundo devido ao aproveitamento do calor residual Um consumo t pico de energia prim ria para um sistema convencional da ordem dos 10400 kJ kWh enquanto num sistema de cogera o teremos valores da ordem dos 5900 kJ kWh Maior diversifica o energ tica Na cogera o aproveitam se os calores residuais e combust veis derivados do processo de produ o convers o energ tica Diminui o da contamina o ambiental Havendo redu o no consumo de energia prim ria haver tanto redu o nas emiss es de poluentes para a atmosfera como redu o da polui o t rmica com aproveitamento adequado do calor residual Poupan as econ micas A imputa o de custos diminui o custo de electricidade comparativamente aos sistemas convencionais gt Inconvenientes Necessidade de legisla o adequada obrigat ria a publica o de legisla o adequada e haver necessidade de se arbitrarem conflitos e disputas que necessariamente ocorrer o entre produtores independentes e as companhias produtoras e distribuidores de electricidade Infra estruturas Necessidade de cria o de infra estruturas adequadas ao controlo da aplica o da legisla o e regulamenta
55. Frequ ncia de COF Qe W Ate mi Te CC Tams CO ocorr ncias aan f COLE 0 3052 17255 4 72 30 21 419 0 2437 0 0744 0 2623 16683 4 72 31 23 344 0 2001 0 0525 0 2226 16154 4 72 32 24 293 0 1704 0 0379 0 1862 15665 4 72 33 25 223 0 1297 0 0242 0 1523 15211 4 72 34 26 191 0 1111 0 0169 0 1208 14790 4 72 35 28 91 0 0529 0 0064 0 0917 14397 4 72 36 29 68 0 0396 0 0036 0 0644 14031 4 72 37 30 47 0 0273 0 0018 0 0390 13688 4 72 38 31 24 0 0140 0 0005 0 0153 13367 4 72 39 32 13 0 0076 0 0001 0 0000 13067 4 72 40 33 6 0 0035 0 0000 Horas del 9 COP m dio 0 22 funcionamento Tabela D 4 Resultados obtidos para a situa o 2 no Lisboa 2 A x N mero de Frequ ncia de COP Qe W Acc m Te CC Tamb CC ocorr ncias Pe E f CORI 0 4271 18908 5 21 30 21 419 0 2437 0 1041 0 3812 18299 5 21 31 23 344 0 2001 0 0763 0 3389 17738 5 21 32 24 293 0 1704 0 0578 0 2998 17219 5 21 33 25 223 0 1297 0 0389 0 2635 16738 5 21 34 26 191 0 1111 0 0293 0 2299 16292 5 21 35 28 91 0 0529 0 0122 0 1986 15876 5 21 36 29 68 0 0396 0 0079 0 1695 15489 5 21 37 30 47 0 0273 0 0046 0 1424 15127 5 21 38 31 24 0 0140 0 0020 0 117 14789 5 21 39 32 13 0 0076 0 0009 0 09323 14472 5 21 40 33 6 0 0035 0 0003 Horas de 4719 COP m dio 0 33 funcionamento 97 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela D 5 Resultados obtidos para
56. P aproximadamente dez vezes menor relativamente aos HFCs R 134a e R 152a Tendo em conta os crit rios operacionais o n pentano imediatamente exclu do pois um fluido altamente inflam vel menos adequado a este tipo de aplica o apesar de corresponder a um melhor desempenho do sistema COP 0 1366 Por outro lado tendo em vista a aplica o dom stica deste sistema a press o do gerador usando os HFCs como fluido de trabalho excessivamente elevada aproximadamente 20 bar levando assim que estes sejam preteridos em rela o aos HFEs As press es no gerador n o podem ser muito elevadas para que os componentes da instala o constituintes do circuito de alta press o n o sejam excessivamente pesados Por ltimo entre os HFEs aquele que se apresenta mais adequado a este tipo de sistemas o HFE 7000 Pois a press o do gerador aceit vel e o sistema apresenta um melhor desempenho relativamente ao HFE 7100 Em suma pelas raz es anteriormente enunciadas o fluido de trabalho seleccionado foi o HFE 7000 48 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 4 Resultados e Discuss o Primeiramente procedeu se ao dimensionamento do ejector para as condi es de projecto presentes na tabela 9 As dimens es de ejector requeridas para satisfazer essas condi es encontram se na tabela seguinte Tabela 12 Dimens es do ejector para as condi es
57. Pcv Fev OMcy P Se he ee 38 Codes Tete Tod Tele Fe e eng 0 85 39 61 Tabela 33 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 no Porto Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1486 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 055 kW Horas de funcionamento 873 horas ano Pot ncia do evaporador 3 23 kW Pre o do calor til 0 30 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0423 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 14 71 kW Pot ncia calor til 12 5 kW Horas de funcionamento 2412 horas ano Pre o do calor til 0 05 kWh Pre o do calor til total 0 35 kWh Tabela 34 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 no Porto Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 159 19 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Pot ncia de calor til 12 5 kW Horas de funcionamento 2412 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor
58. Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 18 onde Nentr O coeficiente relacionado com a efici ncia isentr pica do fluido secund rio gt Sec o de rea constante A rea da sec o constante pode ser determinada atrav s da soma das reas do fluido prim rio A pre secund rio Ay sec Isto Am Aypr Ay sec 19 gt Temperatura e n mero de Mach no ponto y A temperatura e n mero de Mach dos dois fluxos podem ser estimados atrav s das seguintes equa es T y 1 F E ds Mai pr 20 Te dito g To 1 7 May sec 21 y sec gt Fluido misturado no ponto de mistura ponto m antes da ocorr ncia de choque Os dois fluxos iniciam a sua mistura no ponto y Mais tarde verificar se a ocorr ncia de ondas de choque resultando num aumento da press o no ponto sh Deste modo o balan o de momentos pode ser derivado como D thgVy pr MeVy sec rng the Vm 22 41 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o em que vm a velocidade do fluido misturado e amp o coeficiente de efici ncia isentr pica que contabiliza a perda por fric o Similarmente a equa o de balan o de energia pode ser exprimida como 2 Vo pe Vy cae Vin tng hypr the hysee 5 tg the hm 23 em que Vypr Vysec S o as velocidades dos fluidos prim
59. Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 em Bragan a Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1810 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 65 kW Horas de funcionamento 1064 horas ano Pot ncia de arrefecimento 4 54 kW Pre o do calor til 0 23 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0423 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 16 47 kW Pot ncia calor til 14 kW Horas de funcionamento 2880 horas ano Pre o do calor til 0 05 kWh Pre o do calor til total 0 28 kWh Tabela 46 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 em Faro Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1486 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 055 kW Horas de funcionamento 1867 horas ano Pot ncia de arrefecimento 2 91 kW Pre o do calor til 0 18 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0474 Rendimento da caldeira 0 85 Combust ve
60. a a g s sesessseessessersseseseee 21 2 2 3 3 Sistemas de micro cogera o com ciclo Motor Stirling 22 2 2 3 4 Sistemas de micro cogera o com ciclo de Rankine 24 2 2 3 5 Sistemas de micro cogera o com c lula de combust vel 26 2 2 3 6 Sistemas com uso a fontes renov veis de energia 28 Zed Ciclo AES CCCA ai es axcscasavericarvacassisdeen EE O ama Racine ps do I pas ad E inn a AREA 29 2 3 1 Contextualiza o isss nene ra e E Ee ETE E E AE ee din antas 29 2 3 2 Prmc pio d funcionamento ss paes spa aa a a a s a 30 233 Aplec S ia a a E a a a R 32 3 Modela o num rica e computacional do ejector e ciclo de ejec o eeeeeeeeeeeeeeteeeeteeee 34 3 1 Modelo matem tico do ejector e ciclo de ejec o nensseeesseessesseesseesseeessressersse 34 Sd Osistema CHP oscsgenosnesssnniinnnun sninen nian a la a 34 3 1 2 Sistema de arrefecimento ciclo de ejec o nssessseeesseeesseesseesserereeesssee 36 vi Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 3 2 Implementa o do sistema em estudo no EES re 45 A w Resultados E DISCUSS O cases aca asso aid SO aaa deb a da de 50 5 SANANSE ENEFSELICA E ECON MICA sessioissa aaa TELS AUS Tsee ens 55 5 1 Electricidade produzida vendidas essi cactus sas Dl Mid da ai 57 5 2 Aquecimento
61. a situa o o pre o do calor til do 2 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o sistema em estudo revelou se sempre mais baixo que o do sistema convencional Por outro lado pre o da electricidade obtido foi aproximadamente id ntico ao pre o de electricidade da rede Os tempos de amortiza o obtidos em qualquer um dos casos foram bastante razo veis sempre menores que 8 anos Com os valores obtidos nos par metros de avalia o tidos em conta este tipo de sistema apresenta boas condi es para se tornar comercialmente vi vel Por fim de modo a analisar se a adi o da componente de ejec o trazia vantagens ou desvantagens ao sistema procedeu se a um estudo econ mico semelhante ao anterior mas considerando apenas o sistema de cogera o para a produ o de electricidade e calor durante a esta o de aquecimento Isto como o sistema j n o se destina ao arrefecimento no Ver o o calor excedent rio e n o faz sentido ligar o motor produzindo menos electricidade Nesta ltima avalia o os valores obtidos permitiram concluir que o sistema de micro cogera o revelou se mais vantajoso com arrefecimento pois apesar de os tempos de amortiza o do sistema serem sensivelmente maiores mais dois anos os pre os da electricidade s o praticamente id nticos ao custo de electricidade da rede e os pre os do calor til obtidos s o significativamente
62. ac o As c lulas de combust vel para aplica o em micro cogera o ou s o baseadas na tecnologia PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell usando uma membrana fina como electr lito e operando a temperaturas de cerca de 80 C ou SOFC Solid Oxide Fuel Cells que s o c lulas de alta temperatura operando a 800 C As caracter sticas distintivas desta tecnologia s o o baixo ru do a pouca manuten o a boa gest o a carga parcial e a necessidade de hidrog nio Fluxo de eledr es Hidrog nio Oxig nio gt lt IKEJ Hidrog nio 8 019 8 o Anodo Electr lito C todo Figura 13 Representa o esquem tica de uma c lula de combust vel Simader 2006 26 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Aux Burner 1 kWe Stack Electone 12 16 22 kwin with Reformer Module i Ny Water Storage Desulphurisation 200 Liter mesas Seine HARING amp Water Treatment sie SULZERHEXIS Electrical Inverter Figura 14 Exemplo de modelo de c lula de combustivel Simader 2006 gt Actualidade Os sistemas com c lula de combustivel ainda se encontram numa fase de pesquisa e desenvolvimento De seguida apresenta se alguns desses sistemas Tabela 7 Modelos existentes no mercado brevemente Green 2008 Tecnologia Fabricante Modelo Pot ncia Pot ncia el ctrica
63. ada efici ncia baixa tens o mec nica da turbina baixa velocidade perif rica n o h eros o nas p s da turbina aus ncia de humidade longa dura o de vida bem como n o necess rio operador Figura 12 Unidade T450 CH TURBODEN 2006 25 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o gt Actualidade A empresa Turboden neste momento a lider do mercado europeu no desenvolvimento e comercializa o das unidades de micro cogera o que se baseiam nesta tecnologia No entanto outras empresas tamb m come aram a comercializar este tipo de produtos recentemente como o caso da Energetix Group cujo modelo conhecido como Genlec 2 2 3 5 Sistemas de micro cogera o com c lula de combust vel As c lulas de combust vel convertem a energia qu mica de um combust vel e oxig nio continuamente em energia el ctrica Tipicamente o combust vel o hidrog nio sendo que a energia envolvida na reac o com o oxig nio para formar gua parcialmente transformada em electricidade A c lula consiste basicamente numa s rie de camadas que s o dispostas lateralmente a um electr lito central um nodo onde o combust vel oxidado um c todo onde o oxig nio sofre uma reac o de redu o reac o que envolve troca de electr es e pratos que fazem a alimenta o do gases colec o dos electr es e condu o do calor da re
64. aeeeeeseeaeeseeneees 64 Tabela 37 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 no Porto 64 Tabela 38 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 em Lisboa ete eeeeceseeeeeteeeeeeceeeeeneeeeeees 65 Tabela 39 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 em Lisboa 65 Tabela 40 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 em Lisboa 66 Tabela 41 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 em Lisboa ee eeesecseeeeceeeeeeeseeeeeseeaeeeeeneees 66 Tabela 42 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 em Bragan a 67 Tabela 43 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 em Bragan a seese 67 Tabela 44 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 em Bragan a t 68 Tabela 45 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 em Bragan a a 68 Tabela 46 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 em Faro 69 Tabela 47 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 em Faro oe eeeeeeseceeteeeeeeeneees 69 Tabela 48 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 em Faro aereas 70 Tabela 49 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 em Faro 70 Tabela 50 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 POrto ec eeeceeeecneeeeceseeeeeseeaee
65. al de suc o e por consequ ncia um aumento do coeficiente de arrastamento Observando a tabela 14 podemos dizer que um aumento do coeficiente de arrastamento resulta numa diminui o do tamando do ejector E por ltimo podemos observar que no ciclo de ejec o tanto as baixas temperaturas do gerador e do evaporador bem como as altas temperaturas do condensador afectam negativamente o desempenho do mesmo 53 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 5 An lise energ tica e econ mica Na an lise energ tica e econ mica foi necess rio examinar os distintos benef cios de opera o do sistema de micro cogera o acoplado a um ciclo de ejec o ao longo de um ano que s o os seguintes e Foi necess rio quantificar a electricidade produzida pelo nosso sistema ao longo de um ano Electricidade essa que ir ser vendida rede e Durante o per odo de Inverno aquecimento o sistema de cogera o ter como prop sito o aquecimento ambiente por gua quente e de aguas sanit rias AQS Para tal foi necess rio considerar os periodos de aquecimento de cada um locais em estudo Di rio da Rep blica 2006 Tabela 15 Dura o da esta o de aquecimento para os diversos locais em estudo Locis Dura o da esta o de aquecimento meses Porto 6 7 Lisboa 5 3 Bragan a 8 Faro 4 3 Para o aquecimento de gu
66. ar com o fluido secund rio e induz um canal convergente para o fluido secund rio Este canal actua como uma converg ncia de modo a que o fluido secund rio seja acelerado at uma velocidade s nica Na selec o do fluido frigorig neo os factores que condicionaram a sua escolha foram a toxicidade a inflamabilidade a press o do gerador e do evaporador o ODP e o GWP Tendo em conta que todos os fluidos seleccionados eram amig veis para o ambiente ODP 0 e GWP reduzidos a escolha dependeu da press o obtida no gerador e do COP Enquanto a primeira n o podia ser muito elevada a ltima tinha de ser aceit vel para as condi es de projecto ver tabela 9 Sendo assim o fluido de trabalho seleccionado foi o HFE 7000 pois n o era inflam vel ao contr rio do n pentano No estudo do comportamento do sistema constatou se que o desempenho do sistema depende das temperaturas do gerador evaporador e condensador Considerando uma temperatura no condensador de 35 C o COP calculado para uma temperatura no gerador de 72 C foi de 0 1208 Dentro da gama de temperaturas consideradas neste caso em estudo o 82 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o COP aumenta com o aumento da temperatura do gerador Para a mesma temperatura do condensador e para uma temperatura do gerador de 90 C o COP calculado foi de 0 2299 Para uma temperatura do gerador de 72 C a tempera
67. as ambiente e AQS foi considerado um padr o de funcionanemto de 12 horas por dia e que um m s tem a dura o m dia de 30 dias Durante o periodo de Ver o arrefecimento o sistema em estudo ter como objectivo o arrefecimento dom stico funcionando como uma alternativa ao ar condicionado comum Os periodos de arrefecimento considerados encontram se descritos na tabela seguinte 54 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 16 Dura o da esta o de arrefecimento para os diversos locais em estudo Dura o da esta o de arrefecimento Locais Porto Entre os meses de Maio e Agosto 4 meses Lisboa Entre os meses de Maio e Setembro 5 meses Bragan a Entre os Junho e Agosto 3 meses Faro Entre os meses de Abril e Setembro 6 meses Para o per odo de arrefecimento foi considerado um padr o de funcionamento de 10 horas por dia No periodo de arrefecimento com intuito de determinar os COPs m dios de funcionamento foram considerados os dados referentes s temperaturas ambiente desses locais ao longo do ano fornecidos pela base de dados do TRANSYS em que a temperatura ambiente de um determinado local corresponde temperatura hor ria m dia No tratamento desses dados foi feita uma tabela de frequ ncias de ocorr ncias para a temperatura ambiente em quest o para cada local seleccionado No estudo foram
68. cionamento 98 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela D 7 Resultados obtidos para a situa o 1 em Faro A x E N mero de Frequ ncia de COP Q W m TEE Text CC ocorr ncias Rs f CORSA 0 3052 17255 4 12 30 21 450 0 2410 0 0736 0 2623 16683 4 72 31 23 382 0 2046 0 0537 0 2226 16154 4 12 32 24 337 0 1805 0 0402 0 1862 15665 4 72 33 25 227 0 1216 0 0226 0 1523 15211 4 12 34 26 213 0 1141 0 0174 0 1208 14790 4 12 35 28 112 0 0600 0 0072 0 0917 14397 4 12 36 29 T1 0 0412 0 0038 0 0644 14031 4 72 37 30 38 0 0204 0 0013 0 0390 13688 4 72 38 31 23 0 0123 0 0005 0 0153 13367 4 72 39 32 6 0 0032 0 0000 0 0000 13067 4 72 40 33 2 0 0011 0 0000 Horas de 1867 COP m dio 0 22 funcionamento Tabela D 8 Resultados obtidos para a situa o 2 em Faro 2 7 5 N mero de Frequ ncia de COP Qe W Ate mr Te CC Text CC ocorr ncias ROEA A f COE 0 4271 18908 5 21 30 21 450 0 2410 0 1029 0 3812 18299 5 21 31 23 382 0 2046 0 0780 0 3389 17738 5 21 32 24 337 0 1805 0 0612 0 2998 17219 5 21 33 25 227 0 1216 0 0365 0 2635 16738 5 21 34 26 213 0 1141 0 0301 0 2299 16292 5 21 35 28 112 0 0600 0 0138 0 1986 15876 5 21 36 29 77 0 0412 0 0082 0 1695 15489 5 21
69. colega de curso Tiago Teixeira por me ter fornecido os dados do TRANSYS referentes temperatura ambiente nos diferentes locais considerados Por ltimo gostaria de agradecer a toda minha fam lia e namorada pelo seu apoio ao longo destes cinco anos particularmente nos ltimos seis meses Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o ndice de Conte dos DDR sino ico o poe PRN GDE CR ERRE ERRA ED DEDE RR CDE DEDE Ac PRE scents hackiates cates RUDE OR E REGISTE RD RTER acs 1 2 Revis o bibliogr fica asc inn nena n RE E A Capa Lada aa Una 4 2T A COBCTACAO cenne a datado RA Nan Tira ap ARLS PAG E es te Redan 4 2 1 1 Fundamentos te ricos e Perspectivas hist ricas eeeececeeeceeeseeeeeteeeeseeeenee 4 2 1 2 Modos de opera o resin eis Asas ga TCS aaa r E DADOS esa 6 2 1 3 Vantagens e inconvenientes da COQeCTACAO escceenceceeeeceeececeteeeesteeeenseerenee 6 2 t4 O mercado portu EWES css besa aos da pras aa Sp A AR aT 9 2 2 A Micro Cogera o Estado de arte in ereeereeeeeeercarenanas 10 22ko DOMINICA cosas E cet E gal GD Aa a tienda R 10 2 2 2 Micro cogera o em Portugal 00 0 0 ceescecsencecseececeeececeeeeeceeeeeseeeeseeeesaeeees 11 2 2 3 SPREMOIOSTASE CONVERS O cset iaa a aaoi ati 14 2 2 3 1 Sistemas de micro cogera o com motores de combust o interna 14 2 2 3 2 Sistemas de micro cogera o com turbin
70. com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 e possibilitava a utiliza o de g s natural como combust vel As especifica es do fabricante podem ser consultadas na tabela 8 Na modela o matem tica do sistema foram consideradas as suposi es presentes na sec o 3 1 2 O modelo utilizado na determina o das dimens es do ejector foi a teoria da mistura a press o constante num ejector desenvolvido por Keenan Keenan et al 1950 No entanto mais tarde Munday Munday e Bagster 1977 efectuou algumas altera es nessa modela o pois insistiu que o fluido prim rio n o se misturava de imediato com o fluido secund rio logo ap s a sa da da ponteira Ap s a conclus o da modela o o modelo foi implementado no EES e testado com diferentes fluidos de trabalho Foi seleccionado o HFE 7000 porque apresentava um valor de COP relativamente pr ximo aos dos fluidos concorrentes mas para uma press o do gerador significativamente mais baixa No quarto capitulo procedeu se ao dimensionamento do ejector para as condi es nominais As dimens es do ejector obtidas podem ser consultadas na tabela 12 O ciclo ejector foi avaliado para diferentes condi es de opera o e o comportamento observado era concordante com o da literatura Varga et al 2008 O COP aumentou com a temperatura do gerador e do evaporador e diminuiu com a temperatura do condensador O coeficiente de arrastamento apresentou um comportamento id
71. com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 54 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Bragan a Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24436 61 Custos de opera o 260 30 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Horas de funcionamento 3944 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 11 kWh Tabela 55 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Bragan a Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24819 83 Custos de opera o 260 30 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Preco do Gas Natural 0 0423 kWh Horas de funcionamento 3944 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 11 kWh Tabela 56 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Faro Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24436 61 Custos de opera o 225 39 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Horas de funcionamento
72. como uma converg ncia de modo a que o fluido secund rio seja acelerado at uma velocidade s nica Na pr tica verifica se dois fen menos de estrangulamento que condicionam o desempenho de um ejector O primeiro fen meno ocorre na passagem do fluido principal pela ponteira e o outro ocorre no fluido secund rio O segundo fen meno resulta da acelera o do fluido secund rio de um estado de estagna o entrada da c mara de suc o para um estado 37 il ii Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o em que o fluido atinge uma velocidade s nica na zona de sec o constante A figura 21 mostra a varia o da raz o de arrasto com a press o de sa da P considerando fixas a press o de suc o e do fluido principal Modo subcritico Mada EHS Estrangulamento simples Duplo estrangulamento Avaria Constante lt 0 Ponto critico Raz o de arrasto Figura 21 Modos de opera o de um ejector O desempenho de um ejector pode pois ser dividido em tr s modos de opera o de acordo com a press o sa da do ejector Pc Modo cr tico Pc lt Pc Os fluidos principal e secund rio s o ambos estrangulados e a raz o de arrasto constante Modo subcr tico P lt Pe lt Peo S o fluido principal estrangulado e depende da press o sa da Pc Avaria P gt P o O fluido prim rio
73. contrapartida o mesmo sistema em Bragan a rentabilizado em 6 1 e 5 8 anos A an lise do custos beneficios entre o sistema de cogera o e o sistema convencional de refer ncia efectuada at ao momento revela que este sistema tem boas condi es de ser comercializado 75 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 5 4 5 Vantagem Inconviniente da adi o do ciclo de ejec o Esta sec o tem como prop sito determinar se a adi o do ciclo de ejec o ao sistema em estudo se revelou uma op o vantajosa do ponto de vista energ tico e econ mico Sendo assim o investimento adicional o que corresponde ao ciclo de ejec o e o benef cio o do frio e o acr scimo de electricidade produzidos no Ver o Ou seja como n o feito o arrrefecimento no Ver o o calor excedent rio e n o faz sentido ligar o nosso sistema de cogera o O sistema vai ser utilizado somente no Inverno para a produ o de electricidade e para o aquecimento de ambiente e de guas sanit rias Os locais de estudo seleccionados s o os mesmos Como se pode verificar nas tabelas 33 a 49 os pre os de calor til calculados para o sistema de cogera o sem ciclo de ejec o s o praticamente iguais aos pre os de calor til obtidos para uma caldeira a g s convencional Por sua vez os pre os da electricidade para este caso podem ser consultados nas tabelas seguites Tabela
74. coplado a um Ciclo de Ejec o Se bem que estas propriedades sejam globalmente desej veis em qualquer fluido frigorig neo pouco prov vel que elas sejam satisfeitas simultaneamente Tamb m n o existe nenhum refrigerante que seja o melhor j que diferentes aplica es exigem diferentes tipos de refrigerantes No caso em estudo como se trata de um sistema de aplica o dom stica na selec o do refrigerante foram tidos em conta principalmente crit rios operacionais e ambientais como a toxicidade a inflamabilidade a press o do gerador e de evaporador o Potencial de Destrui o do Ozono ODP em ingl s Ozone Depletion Potencial e o Potencial de Aquecimento Global GWP em ingl s Global Warming Potencial Baseado nos crit rios anteriormente enunciados e em alguns estudos j efectuados para este tipo de sistemas os fluidos frigorig neos HFEs Godefroy et al 2007 NICNAS 2006 R 134a Chunnandond et al 2004 Selvarju et al 2004 R 152a Su et al 1999 e o n pentano foram seleccionados como potencialmente adequados para aplica es em que as fontes de calor se encontram entre gamas de temperaturas baixas 70 85 C De seguida estudou se o comportamento do sistema para cada um desses refrigerantes nas mesmas condi es de opera o referidas na tabela 9 Tabela 11 Factores de selec o para as mesmas condi es de opera o Press o a Fluido do Press o de a To
75. da Ponteira 6 Sa da da bomba pump Bomba xiii Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 1 Introdu o Como j foi referido anteriormente o assunto desta disserta o teve como princ pio o estudo de um sistema de micro cogera o com um motor de combust o interna que acoplado a um gerador el ctrico possibilita a produ o de electricidade No entanto com a incorpora o de um permutador de calor poss vel aproveitar o calor desperdi ado pelos gases de exaust o leo lubrificante e outros produtos de modo a accionar termicamente um ciclo de arrefecimento mais precisamente um ciclo de ejec o com o objectivo de produzir frio para aplica o dom stica Ao longo deste cap tulo ir ser feita uma abordagem detalhada aos t picos mais relevantes que constituem as sec es e subsec es posteriores No segundo cap tulo primeiramente foi feita uma breve introdu o evolu o da cogera o ao longo dos tempos nomeadamente ao aparecimento do conceito de cogera o e a termos directamente relacionados com esse conceito por exemplo Combined Heat and Power CHP Posteriormente fez se uma breve explica o sobre os modos de opera o de um sistema de cogera o foram referidas diversas vantagens e inconvenientes associados a este tipo de sistemas e realizou se uma pequena abordagem sua integra o no mercado portugu s Mais tarde j den
76. de grupo I definida como uma instala o de produ o de electricidade monof sica em baixa tens o com pot ncia de liga o at 5 75 kWeie quer utilizem recursos renov veis como energia prim ria quer produzam combinadamente electricidade e calor O decreto lei criou dois regimes de renumera o o regime geral e o bonificado O primeiro para a generalidade das instala es e o segundo apenas aplic vel s fontes 2 renov veis de energia cujo acesso condicionado exist ncia no local de consumo de 11 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o colectores solares t rmicos no caso de produtores individuais e da realiza o de auditoria energ tica e respectivas medidas no caso de condom nios O regime geral aplic vel a todos os que tenham acesso actividade nos termos referidos no artigo 4 presente neste decreto lei e caracteriza se pelo seguinte i ii Todos os produtores que n o obtenham acesso ao regime bonificado s o considerados no regime geral A tarifa de venda de electricidade igual ao custo da energia do tarif rio aplic vel pelo comercializador de ltimo recurso do fornecimento instala o de consumo Por sua vez o regime bonificado para unidades de micro produ o com pot ncia de liga o at 3 68 kWae que utilizem as fontes de energia mencionadas de seguida aplic vel nas seguintes condi
77. din micas do g s entre o n mero de Mach sa da da ponteira Manozzex a rea da sec o respectiva Anozzex press o Prozzex S o usando as rela es isentr picas como uma aproxima o y D y 1 Anozz e 1 2 1 i E 14 ya 13 Anoz Madouzexty 1 T di 39 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o P S j y y 1 1 7 Ma orzex 14 Phozz ex gt Fluido prim rio desde a sa da da ponteira at ao in cio de mistura O n mero de Mach May pr do fluido prim rio no ponto de in cio de mistura expresso pela seguinte rela o isentr pica como uma aproxima o y y 1 Por 1 15 Madorzex a Phozz ex Vo 1 Y D 1 Ma pr Para o c lculo da rea do fluido prim rio no ponto y foi usada a seguinte rela o isentr pica 1 2 1 x 1 NS da Ay pr May pr ly 1 2 y pr ae Anozzex 1 2 1 E Y 1 i a Manozz ex LY 1 2 AoA ex gt Fluido secund rio desde a entrada no ejector at ao in cio de mistura De acordo com a suposi o 6 o fluido secund rio atinge a condi o de estrangulamento no ponto y May sec 1 Para uma dada press o de estagna o entrada do ejector Pe temos y 1 v y 1 Po ee ce ae 17 P sec 2 y sec O caudal m ssico referente ao fluido secund rio na condi o de estrangulamento obtido atrav s da seguinte express o 40 Estudo de um
78. e Energia Total Modos de opera o O modo de opera o de um sistema de cogera o caracterizado pelo crit rio no qual se baseia o ajustamento da produ o el ctrica e da produ o t rmica Existem v rios modos de opera o poss veis sendo os mais usuais os seguintes 1 2 1 3 Funcionamento em fun o das necessidades de electricidade electricity match mode O sistema de cogera o funciona de forma a satisfazer prioritariamente as necessidades de electricidade No caso do calor til gerado pelo sistema for inferior s necessidades uma caldeira adicional ter que ser utilizada em contrapartida se o inverso se verificar o calor gerado ser rejeitado para o meio ambiente Funcionamento em fun o das necessidades de calor heat match mode A prioridade do sistema de cogera o satisfazer as necessidades de calor No caso da electricidade gerada pelo sistema for inferior s necessidades requeridas ser necess rio recorrer rede el ctrica Se por outro lado a electricidade gerada for superior s necessidades o excesso poder ser vendido rede el ctrica Vantagens e inconvenientes da cogera o Os sistemas de cogera o apresentam in meras vantagens e desvantagens quer do ponto de vista do pa s quer das companhias de electricidade bem como dos utilizadores das quais se destacam as seguintes Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um
79. e distinguir daqueles que fornecem calor a grandes condom nios grupo de edif cios ou a n vel distrital Sistemas de micro cogera o de pot ncia inferior a 15 KW diferem substancialmente de outros de maior escala no que respeita distribui o el ctrica modelos de propriedade a reestrutura o das rela es de fornecimento e comportamento do consumidor Os sistemas abaixo de 15 kWce podem ser ligados directamente a rede trif sica Os sistemas de menor escala enfrentam ainda maiores barreiras na implementa o do que aqueles maiores Os estudos apresentados em cap tulos seguintes foram realizados para sistemas a operar no enquadramento desta ultima defini o 10 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o O conceito de micro cogera o refere se gera o descentralizada de energia mec nica e ou el ctrica e calor em simult neo Isto geralmente quer dizer que os sistemas convencionais de aquecimento s o substitu dos por geradores el ctricos equipados com permutadores de calor de forma a recuperar o calor rejeitado O calor produzido geralmente utilizado para aquecimentos de guas e ar interior e possivelmente arrefecimento Caso haja produ o combinada de calor electricidade e frio nesta gama de pot ncias dada a designa o de micro trigera o 2 2 2 Micro cogera o em Portugal Uma das formas mais importantes de contribuir
80. eat pump integrated system for annual air conditioning Nottingham UK Proceedings of the Third International Conference on Sustainable Energy Technologies 2004 Martins J Motores de Combust o Interna p gs 5 9 2006 Megaclima Ar Condicionado Dom stico http megaclima pt Precario_ar_domestico htm gclid CK c8YSUtJsCFY9_3godiHztNg 2007 Ultima visita 6 Julho 2009 Meyer A J Harms T M Dobson R T Steam jet ejector cooling powered by waste or solar heat Renewable Energy 34 pags 297 306 2009 Minist rio da Economia e Inova o Decreto lei n 363 2007 2007 Munday J T Bagster D F A new ejector theory applied to steam jet refrigeration Industrial amp Engineering Chemistry Process Design and Development 16 4 pags 442 449 1977 Nguyen V M Riffat S B Doherty P S Developmet of a solar powered passive ejector cooling system Applied Thermal Engineering 21 pag 157 168 2001 NICNAS Department of Health and Ageing HFE 7100 2006 87 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Oliveira A Apontamentos da disciplina de Tecnologias Energ ticas Avan adas 2008 Parlamento Europeu Directive 2004 8 CE Promo o da cogera o com base na procura de calor til no mercado interno da energia 2004 Pinho C Apontamentos da disciplina de m quinas t rmicas 2007 Pinho C Gesta o de Energia T rmica p gs 117 133 2008 PowerPlus Ecopow
81. ectricidade tradicionais Santos 2008 4 Figura 2 Cogera o instalada em Portugal por tecnologia COGEN Portugal 2001 9 Figura 3 Os quatro tempos do motor de igni o por compress o a admiss o b compress o c combust o e d escape Pinho 2007 cien ea estas EEEE Caran lea wean thon ETER ee He evn ele 15 Figura 4 Custo de investimento de acordo com o combust vel consumido ASUE 2005 17 Figura 5 Vista frontal e lateral de Dachs HKA Ge F Senertec 2004 ecceesceeseescceseceeceseceeeeeeeseeeeeeseeennees 18 Figura 6 Ecopower ECPOWER 2006 e Spilling PowerTherm 2006 18 Figura 7 Honda Ecowill HONDA 2004 e AISIN AISIN 2006 19 Figura 8 Yanmar YANMAR 2006 e TENDOM TENDOM 2006 19 Figura 9 Micro turbina a g s da marca Capstone Simader 2002 0 0 eeesssscssessceseeecesecseesecseseecnaeeeceeenaeeeeas 21 Figura 10 Motor Stirling da Disenco 3 kW e 15 KW DISENCO 2007 ecceesceeceeeceeeceseceeeeeeeeeeeeereerens 23 Figura 11 Princ pio de funcionamento da queima de biomassa de um processo ORC Simader G 2006 25 Figura 12 Unidade T450 CH TURBODEN 2006 erre ereeaeenerarareeana 25 Figura 13 Representa o esquem tica de uma c lula de combust vel Simader G 2006 26 Figura 14 Exemplo de modelo de c lula de combust vel Simader G 2006
82. eeeneees 72 Tabela 51 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Porto 72 Tabela 52 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Lisboa 72 Tabela 53 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Lisboa 72 Tabela 54 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Bragan a 73 Tabela 55 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Bragan a eee cece eseeereeeeeeeeeeeeeees 73 Tabela 56 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Faro 73 Tabela 57 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Faro eeceseesecesecseeceeeeeeeeeeeeeeeeees 73 Tabela 58 Tempos de amortiza o obtidos para o POTto ceeeeeeccssesseesecseeeeceeeeceaececesecseesecneeeeesaeenesaesaeeseeneees 74 Tabela 59 Tempos de amortiza o obtidos para Lisboa cece ecssesseesecseeeeceeeeeceaeeecesecaeesecneeeeesaeeeeeaesaeeaeeneees 75 Tabela 60 Tempos de amortiza o obtidos para Bragan a eeesessesrsseereserstsestersrserststetreretsrsesreteeretseesrseee 75 Tabela 61 Tempos de amortiza o obtidos para Faro eeseesssesiesesssrsesreerssstestststterstsssststetreretsrsesterreretsersrseee 75 Tabela 62 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Porto raras 76 Tabela 63 Pre o da electricidade para o sistema de cogera o Lisboa erre 76
83. eenaeseeeas 58 Tabela 26 Energia de arrefecimento anual produzida no Porto is rereerererarareeana 58 Tabela 27 Energia de arrefecimento anual produzida em Lisboa arenas 59 Tabela 28 Energia de arrefecimento anual produzida em Bragan a 0 0 0 0 ceceesceseeeeseceeeeceeeeeceaeceesaeeaeeseeneees 59 Tabela 29 Energia de arrefecimento anual produzida em Faro ececesecssesscssecseeeeceeeeceaeeceesecaeesecnesseseaeeeeeas 59 Tabela 30 M quina de compress o de vapor ar condicionado comum escolhido para compara o Megacima 2007 nsigseiiinmestevasmsseriynaraca bi seus orns E O E T A E RE E O 60 Tabela 31 Custos do sistema do sistema em estudo Senertec 2004 Nguyen V M 2001 Submarino 2006 esses E EE EE E EE E EE E EEE ETE 60 Tabela 32 Sistema convencional escolhida para a produ o de calor Gerador de Pre os 2006 61 Tabela 33 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 no Porto res 62 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 34 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 no Porto 62 Tabela 35 Consumos anuais correspondentes cesscceseesseeseeeseeeseeeceseeeeesceesecesecaecaeceseeeseseneeeeeeereneeeneeens 63 Tabela 36 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 no POLO ee eceseeeeesecseeeecneeeece
84. ento 1908 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 06 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11436 61 Custos de opera o 113 45 Pot ncia calor fica fornecida 12 50 kW Pre o do calor fornecido 0 06 kWh Pot ncia do evaporador 2 88 kW Horas de funcionamento 1719 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 16 kWh Pre o do calor til total 0 22 kWh Tabela 40 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 em Lisboa Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 125 93 Pot ncia do G s Natural 24 56 kw Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Pot ncia de calor til 14 00 kW Horas de funcionamento 1908 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 06 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11819 83 Custos de opera o 113 45 Pot ncia calor fica fornecida 14 00
85. er das leistungsmodulierende Mini Blockheizkraftwerk www minibhkw de ltima visita 6 Jullho 2009 PowerTherm www PowerTherm de 2006 ltima visita 6 Jullho 2009 ProEcoPolyNet Marke analisys micro CHP 2007 Santos J P Estudo de sistemas solares t rmicos 2008 Selvaraju A Mani A Analisys of an ejector with environment friendly refirgerants Applied Thermal Enginneering 24 pags 827 838 2004 Senertec www senertec de 2004 Ultima visita 6 Julho 2009 Simader G Brennstoffzellen and Mikro Gasturbinen Systeme fur die dezentrade Energienutzung Fuel cells and micro gas tubines for decentralized energy applications Viena 2002 Simader G Krawinkler R Trnka G Micro CHP systems state of the art Viena 2006 Simader G Mikro und Mini KWK Anlagen in Osterreich 2004 Su Da Wen Comparative study of the performance of an ejector refrigeration cycle operating with various refirgerants Energy Conversion amp Manegement 40 pags 873 884 1999 Submarino Aquecedor a G s LZ GLP 2200 18 5 L MIN http www submarino com br produto 15 1879203 aquecedor a g s Iz 2200 gn 18 5 min frang 171389 2006 ltima visita 6 Julho 2009 Systems Marathon Engine www marathonengine com ltima visita 6 Julho 2009 Technik KW Energie Herzlich willkommen bei KW Energie Technik http www kw energietechnik de 2006 ltima visita 6 Julho 2009 TENDOM COGENERATION www tendom com 2006 ltima vista Maio 2009 The
86. era o Faro Sistema de cogera o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 13000 Custos de opera o 225 39 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Horas de funcionamento 1548 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Como previsto os pre os da electricidade do sistema sem ciclo de ejec o s o significaticamente superiores ao pre o da electricidade da rede Neste aspecto o sistema de cogera o acoplado a um ciclo de ejec o mais vantajoso pois o pre o era id ntico ao da rede Por ltimo avaliando o tempo de amortiza o do sistema de cogera o obtemos Tabela 66 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Porto Energia kWh Ganho Electricidade vendida 13266 00 1459 26 Poupan a aquecimento 30150 00 1275 35 Tempo de amortiza o no Tabela 67 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Lisboa Energia kWh Ganho Electricidade vendida 10494 00 1154 34 Poupan a aquecimento 23850 00 1130 49 Tempo de amortiza o anos 77 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 68 Tempo de amortiza o do sistema de cogera o Bragan a Tabela 69 Tempo de amortiza o do siste
87. era o bonificado ao m ximo A este sistema poderia ser acoplado um ciclo de ejec o para permitir fazer o arrefecimento 84 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 8 Refer ncias AISIN Energy System http www aisin co jp life ghp english 2006 Ultima visita 6 Julho 2009 Alexis G K Estimation of ejector s main cross sections in steam ejector refrigeration Applied Thermal Engineering 24 p gs 2657 2663 2004 Alexis G K Rogdakis E D A verification study of steam ejector refrigeration model Applied Thermal Engineering 23 p gs 29 36 2003 Aphornratana S Eames I W A small capacity steam ejector refrigerator experimental investigation of a system using ejector with movable primary nozzle Internationl Journal of Refrigeration 31 pags 279 286 2008 ASHRAE Steam Jet Refrigeration Equipment Equipment Handbook Chapter 13 Atlanta ASHRAE 13 1 13 6 1983 ASUE BHKW kenndaten 2005 Kaiserlaute 2005 BAXI Senertec UK DACHS Technical Information http www baxitech co uk Baxi_Tech BaxiTechWeb nsf technical_information 2006 Ultima visita 6 Julho 2009 Bournaraf L Lallernand A Modeling of an ejector refirgeration system operating in dimensioning and off dimensioning conditions with working fluids R142b and R 600a Applied Thermall Engineering 29 pags 265 274 2009 CEETA Centro de Estudos em Economia da Energia dos Transpo
88. externamente o controlo do processo de combust o facilitado permitindo ainda uma boa flexibilidade de combust veis em particular no que diz respeito a biocombust veis A combust o cont nua leva a menores emiss es Outras fontes de calor como a radia o solar concentrada podem ser usadas existindo prot tipos desenvolvidos pelas empresas Solo e Sunmachine Esta tecnologia tem potencial de atingir elevados rendimentos globais mas o rendimento el ctrico apenas moderado Motores de pequena dimens o atingem um baixo custo gt Actualidade A tecnologia dos motores Stirling j se encontra dispon vel no mercado h nomeadamente muito pouco tempo por isso verifica se a exist ncia de poucos dados estat sticos relativos sua fiabilidade disponibilidade e pre os 23 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 5 Caracter sticas dos motores Stirling Simader 2004 Ciclo Combust vel Efici ncias Gama de termodinamico Total El ctrica pot ncia el ctrica Motor Ciclo stirling G s Natural 65 95 Aprox 25 3kW a Stirling Gas leo 1 5 MW lcool butano Custo m dio de investimento em kW 2500 4500 para sistemas lt 10 kW N A Custos de opera o e manuten o em kW Tabela 6 Fabricantes e modelos de motores Stirling existentes no mercado Green 2008
89. ia que disponibilizada para se produzir uma dada quantidade de trabalho pura e simplesmente desperdi ada na rejei o de calor fonte fria Assim existem situa es em que juntamente com a necessidade de produ o de trabalho ou energia el ctrica h consumos de energia t rmica que geralmente se processam a baixos n veis de temperatura e que assim sendo poderiam recorrer ao uso da energia t rmica inevitavelmente rejeitada pelos motores Pinho 2008 Podemos ent o definir cogera o como a produ o sequencial de duas ou mais formas de energia til a partir da mesma fonte de energia prim ria Santos 2008 Conforme ilustrado na figura 1 a aplica o do conceito de cogera o resulta num consider vel decr scimo do consumo total de energia prim ria Produ o separada de calor e electricidade Rendimento Combust vel Electricidade Central termosl ctric Global 100 Combustivel Caldeira 109 Cogerac o Elcctricidade Combust vel ds Sistema de Cogera o Figura 1 Compara o dos rendimentos entre cogera o e produ o separada de calor e electricidade tradicionais Santos 2008 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Esta filosofia de integra o dos processos de produ o de energia mec nica e t rmica foi utilizada desde os prim rdios da revolu o industrial s c XIX Por m
90. icro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 2 2 2 1 A Micro Cogera o Estado de arte Defini o No passado foram v rias as defini es usadas na literatura respeitante micro cogera o No entanto a publica o da directiva da Uni o Europeia 2004 8 CE em Fevereiro de 2004 Parlamento Europeu 2004 relativa promo o da cogera o com base na procura de calor til no mercado interno da energia e que altera a Directiva 92 42 CEE permitiu clarificar finalmente esta situa o na Europa impondo as seguintes defini es i ii Define unidade de micro cogera o como unidade de cogera o cuja capacidade seja inferior a 50 kWa art 3 al nea m Atribui a designa o de Cogera o de pequena dimens o s unidades de cogera o com uma capacidade instalada inferior a IMWee art 3 al nea n No entanto alguns autores defendem uma defini o de micro cogera o restrita a uma gama de pot ncias at 15 kWeie com base nos seguintes argumentos Simader 2006 i ii Sistemas de micro cogera o de pot ncia inferior a 15 kWee s o claramente os apropriados a implementar em habita es unifamiliares condom nios com um reduzido n mero de frac es pens es e pequenas instala es hoteleiras pequenas empresas industriais com diagrama de procura adequado filosofia da micro cogera o etc que se pode e dev
91. icro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 64 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 38 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 em Lisboa Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1486 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 055 kW Horas de funcionamento 1719 horas ano Pot ncia de arrefecimento 2 88 kW Pre o do calor til 0 19 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0474 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 14 71 kW Pot ncia calor til 12 5 kW Horas de funcionamento 1908 horas ano Pre o do calor til 0 06 kWh Pre o do calor til total 0 25 kWh Tabela 39 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 em Lisboa Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 125 93 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Pot ncia de calor til 12 5 kW Horas de funcionam
92. if rio de refer ncia previsto no ponto ii depende do tipo de energia renov vel utilizada mediante a aplica o das seguintes percentagens tarifa de refer ncia Solar 100 E lica 70 H drica 30 9 Cogera o a biomassa 30 Pilhas de combust vel com base em hidrog nio proveniente de microprodu o renov vel percentagem prevista nas al neas anteriores aplic vel ao tipo de energia renov vel utilizado para a produ o do hidrog nio Combina o das fontes de energia previstas nas al neas anteriores na mesma unidade a m dia ponderada das percentagens individuais aplic veis utilizando como factor de pondera o os limites m ximos de energia aplic veis nos termos previstos no iv A electricidade vendida nos termos do n mero anterior limitada a 2 4 MWh ano no caso da al nea a do iii e a 4 MWh ano no caso das restantes al neas do mesmo n mero por cada quilowatt instalado Tecnologias de convers o No mbito da aplica o da micro cogera o existem diversas tecnologias que j se encontram desenvolvidas enquanto outras est o em processo de desenvolvimento Os processos de convers o de energia podem basear se na utiliza o da combust o e consequente convers o de calor em energia mec nica que atrav s dum gerador produzir electricidade como por exemplo motores de combust o interna turbinas a g s turbina a vapor motores Stirling etc ou alternati
93. isita 6 de Julho de 2009 86 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o HONDA Honda s Compact Household Cogeneration Unit Awarded 2004 Prize for Natural Gas Industry http world honda com news 2004 c041020 html campaignid newsletter_oct04 amp ad vertiserid email amp bannerid html Innovation 2004 Ultima visita 6 Julho 2009 Huang BJ Jiang C B Hu F L Ejector performance characteristics ans design analisys of jet refrigeration system Transactions of ASME 107 1985 Huang B J Chang J M Wang C P Petrenko V A A 1 D Analisys of ejector performance International Journal of Refrigeration 22 pags 354 364 1999 Huang J Chang J M Petrenko V A Zhuk K B A solar ejector cooling system using R141b Solar Energy 64 4 6 pags 223 226 1998 International JLS Quality Equipment for Process Industries http www jlsintl com eductor ejector educt eject html 2007 Ultima visita Julho 2009 Invernizzi C lora P Heat recovery form a micro gas turbine by vapour refrigeration systems Applied Thermal Engineering 25 pags 1233 1246 2005 Keenan K Neuman E P Lustwerk F An investigation of ejector design analisys and experiment ASME Journal of Applied Mechanics 72 pags 299 309 1950 KK HASTEK INTERNATIONAL Descentralized Electricity Generation With Natural Gas in onde family houses The situation in Japan 2006 Lazzarin R Noro M Fuel Cell ejector h
94. kW Pre o do calor fornecido 0 06 kWh Pot ncia do evaporador 4 91 kW Horas de funcionamento 1719 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 11 kWh Pre o do calor til total 0 17 kWh Tabela 41 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 em Lisboa Ar Condicionado Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 50 Custo de capital da instala o 1810 Pre o da electricidade 0 11 kWh Pot ncia el ctrica 1 65 kW Horas de funcionamento 1719 horas ano Pot ncia de arrefecimento 4 91 kW Pre o do calor til 0 14 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0474 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 16 47 kW Pot ncia calor til 14 kW Horas de funcionamento 1908 horas ano Pre o do calor til 0 06 kWh Pre o do calor til total 0 20 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 66 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 42 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 1 em Bragan a Ar Condicionado Convencional
95. l 14 71 kW Pot ncia calor til 12 5 kW Horas de funcionamento 1548 horas ano Pre o do calor til 0 06 kWh Pre o do calor til total 0 24 kWh Tabela 47 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 1 em Faro Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 102 17 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Pot ncia de calor til 12 50 kW Horas de funcionamento 1548 00 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 07 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11436 61 Custos de opera o 123 22 Pot ncia calor fica fornecida 12 50 kW Pre o calor fornecido 0 07 kWh Pot ncia do evaporador 2 91 kW Horas de funcionamento 1867 00 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 16 kWh Pre o do calor til total 0 23 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 69 Tabela 48 Sistemas convencionais adoptados para a situa o 2 em Faro
96. lizado em menos de 7 anos Por ltimo estudou se a vantagem ou desvantagem da adi o do ciclo de ejec o ao sistema de cogera o O estudo revelou que a integra o do ciclo de ejec o na unidade CHP tem como consequ ncia tempos de amortiza o relativamente superiores Contudo o pre o da electricidade obtido e a vantagem que este apresenta em rela o ao pre o do calor til sustenta a ideia que o sistema deve estar acoplado a um ciclo de ejec o A an lise ambiental realizada permitiu verificar que a utiliza o do sistema de cogera o em estudo implica uma redu o de sensivelmente 30 das emiss es de CO relativamente ao sistemas convencionais de refer ncia Tamb m importante salientar que a op o de introduzir o aquecedor a g s no sistema em estudo proporciona uma redu o embora pouco significativa de 2 nas emiss es de CO 83 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Como perspectivas de trabalho futuras s o propostos os seguintes temas A implementa o e constru o do sistema definido ao longo desta disserta o de modo a comparar os valores te ricos com os experimentais que se ir obter Outra alternativa interessante seria a realiza o do estudo de um sistema solar t rmico em que se recorria ao uso de colectores h bridos para a produ o simult nea de calor e electricidade de modo a beneficiar do regime de renum
97. ma de cogera o Faro Energia kWh Ganho Electricidade vendida 15840 00 1742 40 Poupan a AQS 36000 00 1522 80 Tempo de amortiza o anos Energia kWh Ganho Electricidade vendida 8514 00 936 54 Poupan a aquecimento 19350 00 917 19 Tempo de amortiza o anos A separa o do ciclo de ejec o do sistema em estudo traduz se numa diminui o pouco sgnificativa dos tempos de amortiza o do sistema No entanto o elevado pre o da electricidade obtido e a desvantagem que este apresenta em rela o ao pre o do calor til sustenta a ideia que ao sistema deve estar acoplado a um ciclo de ejec o 78 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 6 Avalia o do impacto ambiental O recurso a t cnicas de convers o energ tica com elevados rendimentos de convers o quantificados luz da Primeira Lei da Termodin mica n o s poder ser atractivo no respeitante redu o do consumo de energia prim ria mas tamb m se uma estrat gia fundamental for implementada com o objectivo de reduzir a emiss es de CO Pinho 2008 Pretende se saber se os sistemas combinados de produ o de calor e electricidade poder o al m das evidentes vantagens energ ticas contribuir de um modo significativo para o controlo das altera es clim ticas 6 1 Condi es para a exist ncia de cogera es amig vei
98. menores quando comparados com o sistema convencional de refer ncia Na sexto cap tulo foi realizada uma an lise do impacto ambiental do sistema em estudo e verificou se que suas emiss es de CO eram menores relativamente as dos sistemas convencionais de refer ncia permitindo uma redu o de aproximadamente 30 O s timo cap tulo cont m as conclus es e os resultados mais importantes obtidos ao longo desta disserta o bem como algumas perspectivas de trabalho futuras com vista a continua o da an lise deste sistema Por fim no oitavo cap tulo s o apresentadas todas as refer ncias bibliogr ficas utilizadas como consulta pesquisa e investiga o ao longo deste relat rio Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 Revis o bibliogr fica 2 1 A Cogera o 2 1 1 Fundamentos te ricos e Perspectivas hist ricas A termodin mica das centrais t rmicas tem sido desde h muito uma rea de estudo cl ssica para engenheiros Os objectivos de tal estudo prenderam se tradicionalmente com a determina o e maximiza o da efici ncia t rmica ou seja com a produ o mais eficiente e econ mica de energia el ctrica ou mec nica a partir da energia qu mica contida nos combust veis Ora a convers o da energia t rmica em trabalho est limitada pelas restri es impl citas na Segunda Lei da Termodin mica sendo que grande parte da energia prim r
99. ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 11 kWh Tabela 51 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Porto Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24819 83 Custos de opera o 216 81 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Horas de funcionamento 3285 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 11 kWh Tabela 52 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Lisboa Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24436 61 Custos de opera o 239 38 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Horas de funcionamento 3627 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 12 kWh Tabela 53 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 2 Lisboa Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24819 83 Custos de opera o 239 38 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Pre o do G s Natural 0 0474 kWh Horas de funcionamento 3627 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o da electricidade 0 12 kWh Estudo de um Sistema de Micro Cogera o
100. ncional a possibilidade de fornecer energia t rmica til que noutras circunst ncias teria de ser fornecida por uma sistema de ar condicionado convencional Este custo economizado com o emprego da instala o de cogera o de modo que o custo l quido de produ o de electricidade na instala o de cogera o dever ser corrigido tendo se em aten o este aspecto O custo unit rio da electricidade ser ent o de Bea Cca Ce 2 P celF ce P glFgl i OMccg E 41 Weie H Weie Weie H Pete cc O resultado da equa o 41 dever ser comparado com o que se obt m para a central el ctrica convencional que serve com refer ncia Para o pre o da electricidade do sistema convencional de refer ncia foi considerado o custo de electricidade da rede Pele cg 0 11 kWh 71 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 50 Pre o da electricidade do sistema em estudo situa o 1 Porto Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital de instala o 24436 61 Custos de opera o 216 81 Pot ncia do G s Natural 22 8 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Horas de funcionamento 3285 horas ano Pot
101. nternational Journal of Refrigeration 31 pags 279 286 2008 89 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o ANEXO A rea coberta pela rede de g s natural Uma vez que o g s natural o combust vel que ir ser usado pelo sistema em estudo conv m fazer uma pesquisa sobre a distribui o do g s natural ao longo de Portugal A rede de g s natural em Portugal ver figura abaixo ramifica a partir do gasoduto de alta press o que se inicia em Sines e tem duas liga es s infra estruturas equivalentes em Espanha uma em Tui na Galiza a partir do Minho e outra em Campo Maior Badajoz Existem duas deriva es para o interior de Portugal uma em direc o a Viseu e outra em direc o Guarda O gasoduto de alta press o operado pela Transg s S A em regime de concess o Para al m do transporte a Transg s abastece ainda grandes consumidores ind stria na rea de influ ncia do gasoduto Foram definidas e concessionadas seis reas de concess o para distribui o de g s natural atribu das a cada uma uma empresa distribuidora Setg s para a pen nsula de Set bal Lisboag s para a grande Lisboa a norte do Tejo Lusitaniag s para o litoral centro Portg s para o litoral norte Tagusg s para parte do Ribatejo e Alto Alentejo e Beirag s para as regi es beiras Em cada rea de concess o a distribuidora respectiva tem a responsabilidade de desenvolve
102. nto anuais 2880 2880 h ano Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Energia anual 36000 40320 kWh Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 1548 1548 h ano Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Energia anual 19350 21972 kWh As tabelas 22 a 25 revelam que para uma dada situa o o local onde haver maior poupan a na produ o de calor til ser em Bragan a pela mesma raz o revelada na subsec o anterior Pela raz o inversa Faro ser o local onde essa poupan a ser menor Avaliando somente o ponto de vista energ tico ainda podemos concluir na situa o 2 a poupan a de energia correspontente ao calor til produzido para aquecimento ambiente e AQS superior relativamente situa o 1 uma vez que o calor til transferido atrav s do permutador de calor maior 5 3 Arrefecimento Como j referido anteiormente no c lculo da pot ncia de arrefecimento foram usados valores de COPs m dios anexo D A energia anual utilizada para o arrefecimento foi obtida por Ee Qe H 36 Tabela 26 Energia de arrefecimento anual produzida no Porto Situa o 1 Situa o 2 Horas de funcionamento anuais 873 873 h ano COP m dio 0 24 0 36 Pot ncia calor fica til 12 5 14 kW Pot ncia el ctrica da bomba 0 7 0 7 kW Pot ncia calorifica do evaporador 3 23 5 13 kW Energia anual 2817 09 4647 09 kWh 58 Tabela 27
103. o Aquecedor a g s Opera o e manuten o 13000 11436 61 383 22 Porto 216 81 Lisboa 239 38 Bragan a 260 30 Faro 225 39 0 012 kWh valor retirado da refer ncia indicada na legenda da tabela 60 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 32 Sistema convencional escolhida para a produ o de calor Gerador de Pre os 2006 Caldeira Convencional Custo instala o custos opera o e manuten o 1198 73 5 4 2 Pre o do calor til Na avalia o da viabilidade econ mica do sistema em estudo foi necess rio avaliar tr s par metros o pre o do calor til o pre o da electricidade e o tempo de amortiza o do sistema A avalia o dos custos que seguidamente se apresenta interessa essencialmente aos operadores de instala es de aquecimento e arrefecimento comunit rio em que se calcula o pre o de energia t rmica til distribu da aos consumidores e se considera que a a energia el ctrica produzida pela instala o em an lise um subproduto que se vende rede O custo unit rio do calor til ser ent o de E E Beclca Pce Fee OMcc Weie Pete vp cc QH Ql Q H Q H 37 que deve ser comparado com o custo nitario da energia t rmica til se esta fosse produzida por um sistema de ar condicionado convencional BevCev
104. o micro turbinas com pot ncias el ctricas de apenas alguns quilowatts que conseguem atingir quase os mesmos rendimentos que os motores de combust o interna e com menores emiss es de NO e CO gt Actualidade Em princ pio a maioria dos sistemas convencionais de cogera o podem ser adaptados para aplica es em micro cogera o Contudo em casos como o das micro turbinas a g s a implementa o bem sucedida para aplica es de pot ncias reduzidas ainda est por ser realizada Os principais fabricantes como a Capstone ou a Turbec apenas desenvolveram modelos de pot ncias superiores a 15 kWeie AS micro turbinas ainda s o mais caras do que os motores de combust o interna apesar de terem custos de opera o e manuten o inferiores 21 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o devido menor quantidade de partes m veis O tempo de vida das micro turbinas cerca de 40000 horas Tabela 3 Caracter sticas das micro turbinas Simader 2002 Raz o Combust vel Ffici cias Gama electricidade Total El ctrica de calor pot ncia el ctrica Micro 0 2 0 8 G s Natural Gas leo 65 90 15 30 15kW a turbina Propano Kerosene biog s 300 kW etc Custo m dio de investimento em kW 900 2500 Custos de opera o e manuten o em kW 0 006 0 21 Tabela 4 Fabricantes e modelos de micro turbinas
105. o t cnica e ainda para a realiza o de opera es de manuten o e repara o adequadas de forma a n o existirem falhas graves no fornecimento de energia el ctrica rede por parte dos pequenos produtores Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Para as companhias de electricidade gt Vantagens Aumento das garantias de fornecimento de electricidade aos consumidores por parte das companhias distribuidoras Redu o da pot ncia de reserva dispon vel Como consequ ncia do aumento do n mero de pequenas instala es geradoras de electricidade que podem entrar na rede a qualquer momento as companhias distribuidoras n o necessitam de pot ncias de reserva t o elevadas Utiliza o mais econ mica dos meios de produ o As companhias distribuidoras podem recorrer s em ltima inst ncia ao uso das suas centrais de recurso menos eficientes ja que t m sua disposi o centrais de cogera o mais recentes e eficientes gt Inconvenientes Problemas de regula o da rede A liga o em paralelo dos equipamentos de cogera o com a rede el ctrica cria problemas de regula o da rede e deixa esta na depend ncia das falhas de corrente fornecida pelos produtores independentes Redu o de mercado Havendo produtores independentes cogeradores que logicamente produzem a maior parte da energia que consomem haver menos mercado para as
106. onsideradas anteriormente pode ser caracterizado pode ser expresso pelas evolu es representadas pelas figuras abaixo 0 45 T 10 C E ETg 90 C 0 35 a 0 3 E Tg 72 C 0 4 0 25 0 2 0 15 COP 0 1 0 05 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Te C Figura 24 COP para diferentes temperaturas do condensador e a entrada do ejector 0 45 T 35 C 0 4 E 0 35 E Tg 90 C 0 3 E 1g 72 C 0 25 E oO hd 0 2 0 15 0 1 COP 0 05 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Te C Figura 25 COP para diferentes temperaturas do evaporador e entrada do ejector 50 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o O COP como fun o das temperaturas do condensador e gerador pode ser observado na Figura 24 claramente vis vel atrav s da figura que o desempenho do ciclo de ejec o diminui rapidamente com o aumento da temperatura do condensador Considerando uma temperatura no condensador de 35 C pelas raz es anteriormente enunciadas o COP calculado para uma temperatura no gerador de 72 C foi de 0 1208 Dentro da gama de temperaturas consideradas neste caso em estudo o COP aumenta com o aumento da temperatura do gerador Para uma mesma temperatura do condensador o COP calculado foi de 0 2299 para uma temperatura do gerador de 90 C Portanto dependendo da pot ncia do evaporador que se pretende a solu o que tem em conta a adi o de um aq
107. oo Wd opus SEPIOOUIOJ ONS BOTJLIOTVI CINIO serouggod sy x 5 E ourdolg enpu sey Lit 9 NISIV CVO9DDHD sesorg orajyonbiy j er oI OT S WY Imod sunds seo eneu seo VIET 000 T Od TEINN sep CCI S S IMUS syoed T6TE 000ST Nd Tesmeu sey ST Er EI snId Mog Jamodooq 9ILE E98 I TEINIEN SLD 8 Y asu ASAIO 8 p AD 1031004 SLET 00061 TEINIEN SLD 61 8 WOdAL 8S ODIN 009S 009S TEINIEN SLD STE I epuoH Mo apo Cee CMD MD apeprun 3 peprun SPASNquI0D BITUIID BILIP 9JUPILIQLA O Ppol Jod osyisedsa xod od01g BIDUII0g BIDUII0g 05914 20 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 2 3 2 Sistemas de micro cogera o com turbina a g s As micro turbinas a g s s o pequenas turbinas pertencentes ao grupo das turbom quinas com uma pot ncia el ctrica de 15 at 300 kW De forma a aumentar o seu rendimento el ctrico s o equipadas com um recuperador regenerador de calor que permite aproveitar calor presente nos gases de escape As micro turbinas destacam se pela sua fiabilidade reduzida dimens o e baixo peso Exhaust Outlet Generator Cooling Fins Recuperator Fuel Injector Combustion Chamber Generator Compressor Air Bearings Turbine Figura 9 Micro turbina a g s da marca Capstone Simader 2002 Actualmente est o em fase de investiga o e desenvolviment
108. orr ncia de evapora o do fluido frio Como de pode observar atrav s da figura 23 ocorre mudan a de fase do fluido frigorig neo no permutador ou seja a capacidade t rmica MC do fluido frio tende para EN dh E a ee EE A valor infinito Cp id co Assim sendo a efici ncia t rmica no permutador dada pela seguinte equa o T T pT ES A pot ncia calor fica transferida atrav s do permutador dada pela especifica es do produtor da unidade de micro cogera o seleccionada Para a temperatura do evaporador muito comum admitir uma temperatura pr xima de 10 C pois a temperatura que se obt m numa unidade de ar condicionado t pica A temperatura de condensa o considerada teve por base a literatura consultada Di rio da Rep blica 2006 que apresenta o zoneamento clim tico discriminado por concelhos Tendo em conta que a temperatura externa de projecto de ver o no concelho do Porto de 30 C e que a temperatura de condensa o deve ser superior de ambiente Para que haja transfer ncia de calor aceit vel que a temperatura do condensador seja de 35 C ou at mesmo mais elevada No caso das efici ncias isentr picas os valores considerados tiveram por base a literatura Godefroy et al 2007 45 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o E por ltimo todas as propriedades termodin micas necess rias para a simula o
109. ot ncia de arrefecimento 5 13 kW Pre o do calor til 0 24 kWh Caldeira Convencional Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 1 Custo de instala o 1198 73 Pre o do g s natural 0 0423 Rendimento da caldeira 0 85 Combust vel 16 47 kW Pot ncia calor til 14 kW Horas de funcionamento 2412 horas ano Pre o do calor til 0 05 kWh Pre o do calor til total 0 29 kWh Tabela 37 Pre o do calor til para o sistema em estudo para a situa o 2 no Porto Sistema de Cogera o ciclo de ejec o Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 13000 Custos de opera o 159 19 Pot ncia do G s Natural 24 56 kW Pre o do G s Natural 0 0423 kWh Pot ncia de calor til 14 kW Horas de funcionamento 2412 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til aquecimento 0 05 kWh Encargos capitais dependentes do tempo de vida da instala o 0 03 Custo de capital da instala o 11819 83 Custos de opera o 57 62 Pot ncia calor fica fornecida 14 00 kW Pre o do calor fornecido 0 05 kWh Pot ncia de evaporador 5 13 kW Horas de funcionamento 873 horas ano Pot ncia el ctrica 5 5 kW Pre o de venda da electricidade 0 11 kWh Pre o do calor til arrefecimento 0 12 kWh Pre o do calor til total 0 17 kWh Estudo de um Sistema de M
110. po de sistemas Um desses fabricantes a SAMHWA 2 3 3 Aplica es As fontes de calor que podem ser utilizadas neste ciclo s o a energia geot rmica a energia solar ou at mesmo desperd cios de energia Como exemplo destas ltimas tem se o 31 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o calor contido nos gases de escape e no radiador dos autom veis que pode ser utilizado para a climatiza o do ve culo ou no caso em estudo para a produ o exclusiva de frio No entanto quando se pretende climatizar edif cios nomeadamente edif cios comerciais a utiliza o da energia solar como fonte de calor tem uma vantagem porque para al m de permitir fazer o arrefecimento no ver o e o aquecimento no inverno n o h necessidade de climatizar durante a noite o que torna a energia solar extremamente interessante O ejector pode tamb m ser acoplado em paralelo a uma turbina para a produ o de trabalho 32 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 3 Modela o num rica e computacional do ejector e ciclo de ejec o 3 1 Modelo matem tico do ejector e ciclo de ejec o O sistema em estudo que vai ser objecto de an lise o apresentado na figura seguinte g Evaporador Permutador Condensador ll de calor isl 7 V lvula de expans o Figura 20
111. produtoras e distribuidoras de electricidade Para os utilizadores gt Vantagens Poupan a econ mica Menor custo da electricidade auto consumida e ganhos ainda que por vezes marginais na electricidade que vendida rede Ganhos na energia t rmica residual que aproveitada Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Maior garantia de fornecimento de energia Os auto consumidores s o independentes das falhas da rede e isto permite lhes a garantia de que em caso de emerg ncia a produ o pr pria cubra as necessidades energ ticas dos equipamentos consumidores mais sens veis gt Inconvenientes Investimentos As empresas ficam obrigadas realiza o de maiores investimentos e ainda por cima num ramo diferente daquele onde t m as suas maiores compet ncias enfrentando assim riscos desconhecidos Ambientais Aumento da polui o ambiental na vizinhan a do seu processo fabril ocasionada pelas emiss es dos produtos de combust o da central de cogera o 2 1 4 O mercado portugu s A pot ncia instalada em Portugal era no final de 2005 de cerca de 1 207 MW repartida por tecnologia conforme se encontra representado no diagrama abaixo e com uma produ o anual estimada de 13 do consumo total da energia el ctrica do Pa s Figura 2 Cogera o instalada em Portugal por tecnologia COGEN Portugal 2001 Estudo de um Sistema de M
112. r e operar a rede de distribui o e comercializar o g s ao consumidor final Em 2000 o g s natural j representou perto de 9 do consumo de energia prim ria dos quais mais de metade foi utilizado para a produ o de energia el ctrica As estimativas apontam para um r pido crescimento dos consumos de g s natural particularmente no sector industrial e para produ o de energia el ctrica sendo de esperar que esta forma de energia possa representar entre 22 e 23 da energia prim ria em 2010 90 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o distritui o Portgas distrtau o tusstimmagas destritua o Jeragas deinbo o Tagus s distrinsi o Labongas stricto Latgas Sta 100 Loncessoneds termine ce EM LAG en opera o LAG em estudo projecto anmarenagan sii central verrmemtectrica gasoduto em ope pasoo to em astum pr goceeer OBB BEB Fornecimento de gas Gaiza e Ast rias flemoura Alte daira Lava is Cthin Comba Dae Fornecimento de gas pelo Gasoduto ca Extremadura Figura A 1 Mapa do projecto de g s natural Direc o Geral de Energia 2001 91 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o ANEXO B Ffici ncias isentr picas presentes na literatura Tabela B 1 Efici ncias isentr picas do ejector retiradas da literatu
113. r encontrados na literatura 5 Os dois fluxos apenas se come am a misturar no ponto y garganta hipot tica com uma press o uniforme Py pr Py sec 6 O fluido secund rio estrangulado no ponto y May sec 1 7 De modo a obter as condi es de press o sa da do ejector tem de haver a exist ncia de ondas de choque ponto sh no fluido misturado na sec o compreendida entre o ponto mec 8 A parede do interior do ejector adiab tica 35 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 9 Foram assumidas as condi es de satura o entrada do ejector ponto g e sa da do evaporador ponto e Analogicamente foi assumido que o fluido encontra se no estado de l quido saturado sa da do condensador ponto c lig Aplicando a Primeira Lei da Termodin mica e a Lei da Conserva o de Massa Mg Me 1 Qt ting hg he 2 A pot ncia da bomba foi calculada da seguinte maneira W mo hy hg pump g 7 8 3 W he em hs 4 Mg Efectuando o balan o energ tico global ao ejector Mo Mp Me 5 thy hgt Me he thy Me he 6 Por sua vez as pot ncias calorificas referentes ao condensador e evaporador podem ser obtidas respectivamente Qe mg Me he helig 7 Qe Me he h4 8 36 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o
114. ra Varga S 2009 Efici ncias Refer ncia Ponteira Arrastamento Mistura Difusor Nnozz Mentr p Nair Aly et al 1999 0 9 0 95 0 9 Cizungu et al 2001 0 95 E 0 85 Eames et al 1995 0 85 0 95 0 85 El Dessouky et al 2002 l E 1 1 Godefroy et al 2007 0 8 0 935 0 8 Grazzini e Mariani 1998 0 9 1 0 85 Huang et al 1999 0 95 0 8 0 84 E Huang e Chang 1999 E Rodgakis e Alexis 2000 0 8 0 8 0 8 Selvaraju e Mani 2004 0 95 g 0 85 Sun 1999 0 85 0 85 Sun 1996 0 85 0 85 Tyagi e Murthy 1985 0 9 0 8 z 0 9 Yapici e Ersoy 2005 0 85 g 0 85 Yu et al 2006 ote i 0 95 0 85 Yu et al 2008 Dea 0 85 0 85 Zhu et al 2007 0 95 0 90 92 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o ANEXO C Desempenho do ciclo de ejec o para diferentes condi es de opera o Tabela C 1 COP em fun o da temperatura do condensador para T 72 C e T 10 C Te CC COP 30 0 3052 31 0 2623 32 0 2226 33 0 1862 34 0 1523 35 0 1208 36 0 09165 37 0 06443 38 0 03903 39 0 0153 40 Tabela C 2 COP em fun o da temperatura do condensador para T 90 C e T 10 C Te CC COP 30 0 4271 31 0 3812 32 0 3389 33 0 2998 34 0 2635 35 0 2299 36 0 1986 37
115. rformance generator temperatures should not fall below 80 C Evaporator temperatures below 10 C and condenser temperatures over 35 C resulted in a significant drop of the cooling cycle performance and therefore these conditions can be identified as minimal design values Ejector dimensions were also calculated using the constant pressure mixing ejector theory developed by Keenan 1950 The economic analyses allow us to conclude that for the present ejector cooling system alone to become commercially viable it is necessary to reduce its capital cost However the combination of the ejector cooling system with the CHP unit heating and power leads to very acceptable payback periods below 8 years Finally the environmental study revealed that CO2 emissions of the present system are lower than with traditional systems Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Agradecimentos Gostaria de expressar a minha sincera gratid o ao Professor Carlos Oliveira meu orientador pelo apoio incondicional e orienta o ao longo deste trabalho O seu encorajamento e paci ncia bem como as suas sugest es fornecidas deram me muita confian a e foram determinantes na realiza o deste trabalho Particularmente ao Dr Szabolcs Varga pelo acompanhamento e aux lio na aus ncia do meu orientador ao longo da modela o matem tica do sistema a estudar Tamb m gostaria de agradecer ao meu
116. rtes e do Ambiente Estudo do Mercado Potencial para a Aplica o das Tecnologias de Micro Cogera o em Portugal 2001 Chunnanond K Aphorntatana S Ejector applications in refrigeration technology Renewable ans Sustainable Energy Reviews 8 pas 129 155 2004 Clito A Sebenta de Refrigera o Cap tulo VIII e X 2008 COGEN Portugal Cogera o em Portugal http www cogenportugal com general_content showInformation aspx mt 1 amp ml 2 amp type 2 2001 Ultima visita 6 julho 2009 Diario da Republica Decreto lei n 80 2006 Regulamento das Caracteristicas de Comportamento t rmico dos Edificios RCCTE 2006 Direc o Geral de Energia DGE Energia em Portugal 2001 DISENCO Make your own home or small business a Power House of energy www disenco com html mchp htm 2007 ltima visita 6 Julho 2009 85 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Eames I W Aphornratana S D W Sun The jet pump cycle a low cost refrigerator option powered by waste heat Heat Recovery Systems and CHP 15 8 p gs 711 721 1995 Eames I W Aphornratana S Haider H A theoretical and experimantal study of a small scale steam jet refrigerator International Journal of Refrigeration 18 p gs 378 386 1995 ECOPower Produtos de micro cogera o http www ecopower pt Produtos microgeracao html 2006 ltima visita Maio 2009 ECPOWER Systems modules http
117. s de combust o interna muito comum fundamentalmente porque este tipo de sistemas apresenta um custo m dio aceit vel 13000 e efici ncias elevadas mesmo para motores de pequenas dimens es Entre os v rios modelos existentes no mercado Tabela 2 o modelo Dachs da Senertec foi o eleito para a produ o simult nea de electricidade e calor As raz es que levaram a essa escolha foram um menor pre o espec fico kW as pot ncias el ctrica e calor fica apresentam valores interessantes para aplica o dom stica e o facto de utilizar o g s natural como combust vel Recentemente o ciclo de ejec o tem sido alvo de aplica es significativas na rea da refrigera o essencialmente por possu rem custos de fabrico e manuten o baixos relativamente aos restantes sistemas e exist ncia de poucas partes m veis A teoria da mistura a press o constante de um ejector desenvolvida por Keenan et al frequentemente usada na an lise do mesmo Keenan et al 1950 Keenan e os restantes autores assumiram que a press o do fluido principal e secund rio sa da da c mara de suc o id ntica A mistura dos dois fluidos inicia se na c mara de suc o a uma press o constante desde sa da da ponteira nozzle at entrada da sec o de rea constante No entanto Munday e Bagster Munday e Bagster 1977 chegaram conclus o que depois da sa da da ponteira o fluido prim rio continua o seu percurso sem se mistur
118. s para o ambiente A cogera o apresenta sempre rendimentos globais de convers o energ tica superiores aos dos sistemas convencionais que lhe servem de refer ncia electricidade da rede calor obtido por uma cadeira a g s natural e frio com m quina de compress o de vapor el ctrica Contudo o seu impacto ambiental nem sempre ser superior aos dos sistemas a serem substitu dos Vejamos ent o as condi es a serem satisfeitas pelos sistemas de cogera o de modo a serem amig veis para o ambiente Define se agora um factor de impacto ambiental referente s emiss es de CO Ec Fea Ar 44 De uma forma an loga se a energia el ctrica e pot ncia calor fica til forem produzidos por instala es convencionais as emiss es de CO ser o de Ecv Ta Were Feiel Ae Q At 45 A raz o entre as emiss es de CO referentes ao processo tradicional e cogera o vir ent o dada por Ecy REM 4 E 40 CG 79 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Ao passo que a redu o das emiss es de CO vir dada por Ecy E AEMI 47 Ecv Em suma para que uma cogera o seja amig vel para o ambiente necess rio que REM gt 1 ou que AEMI gt 0 Os resultados da an lise do impacto ambiental podem ser consultados nas tabelas 70 e71 Tabela 70 Factores de impacto ambiental referente s emiss es de CO kg h
119. sado 43 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 3 2 Implementa o do sistema em estudo no EES gt Vari veis de projecto Em seguida a implementa o do sistema em estudo no EES Engineering Equation Solver foi executada da seguinte maneira Primeiramente introduziu se no EES todas as equa es anteriormente enumeradas De seguida foi necess rio introduzir as vari veis de projecto tendo em conta os seguintes crit rios Tabela 9 Valores das vari veis de projecto Vari veis de projecto Temperatura do gerador Tz 2h Temperatura do evaporador Te 10 C Temperatura de condensador Tc 35 C Pot ncia calor fica Q 12 5 kW Efici ncia isentr pica da ponteira Nnozz 0 8 Efici ncia isentr pica de arrastamento Nentr 0 8 Efici ncia isentr pica de mistura d 0 935 Efici ncia isentr pica no difusor Nair 0 8 A temperatura do gerador considerada foi de 72 C uma vez que foi assumido que a diferen a entre as temperaturas de entrada do fluido quente e de sa da do fluido frio de 11 C AT T2 Tg A temperatura de retorno da gua na unidade CHP de 73 C como se pode observar na figura seguinte 44 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Figura 23 Diagrama de temperaturas no permutador de calor oc
120. sel no entanto o seu sistema segue o ciclo Otto e a sua combust o inicia se por uma descarga el ctrica de elevada tens o fa sca dentro da c mara de combust o 15 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Os motores de combust o interna operam com menor excesso de ar quando comparados com as turbinas a g s Isto conduz a temperaturas de combust o mais elevadas e consequentemente ao aparecimento de NOx devido oxida o do nitrog nio contido no ar O rendimento el ctrico dos sistemas de micro cogera o com motor de combust o interna depende fortemente da pot ncia el ctrica dimens o do sistema Para sistemas abaixo de 15 kW o rendimento el ctrico geralmente n o excede os 26 A tabela seguinte sumariza algumas caracter sticas importantes em ambos tipos de motor Tabela 1 Caracter sticas dos motores de combust o interna Simader 2006 Ciclo Combust vel Efici ncias Gama de termodin mico Global El ctrica pot ncias Motor Ciclo Diesel G s biog s 65 90 35 45 5kWa20 Diesel ELFO MW LFO HFO leos vegetal Motor de Ciclo Otto G s biog s 70 92 25 43 3kWa gt 6 igni o nafta MW comandada Custo de investimento m dio em kW 340 2000 motor Diesel Custo de investimento m dio em kW 450 2500 motor de igni o comandada g s Custos de opera o e manuten
121. ss vel determinar a pot ncia de arrefecimento para cada uma das situa es atrav s das equa es 10 e 11 A pot ncia m dia da bomba calculada foi de 0 7 kW 5 1 Electricidade produzida vendida Como ja foi referido anteriormente de modo a rentabilizar o sistema mais rapidamente a totalidade da electricidade produzida num periodo de um ano sera vendida a rede beneficiando do regime geral descrito anteriormente Eele Wae H 34 Tabela 18 Electricidade anual produzida vendida no Porto Aquecimento Arrefecimento Situa o 1 e 2 Energia anual Pot ncia el ctrica produzida 5 5 5 5 produzida kWh Horas de funcionamento 2412 873 Energia produzida 13266 4802 Tabela 19 Electricidade anual produzida vendida em Lisboa Ancin Arrefecimento Situa o 1 e 2 Energia anual Pot ncia el ctrica produzida 5 5 5 5 produzida kWh Horas de funcionamento 1908 1719 Energia produzida 10494 9455 56 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 20 Electricidade anual produzida vendida em Bragan a Aquecimento Arrefecimento Situa o 1 e 2 Pot ncia el ctrica produzida 5 5 5 5 Horas de funcionamento 2880 1064 Energia produzida 15840 5852 Tabela 21 Electricidade anual produzida vendida em Faro Energia anual produzida kWh 21692
122. ster 1977 Invernizzi et al 2005 pela exist ncia de poucas partes m veis e tamb m por utilizarem fluidos frigorig neos verdes o que faz com que estes sistemas sejam bastantes fi veis Invernizzi et al 2005 Eames et al 1995 Huang et al 1985 No entanto com a chegada dos CFCs a maior parte destes sistemas foram substitu dos por ciclos de compress o de vapor mais eficientes e compactos Este sistemas s o id nticos aos de compress o de vapor excep o do modo como se processa a compress o do fluido de trabalho ou seja estes ltimos utilizam um compressor enquanto os primeiros fazem recurso a um ejector Recentemente com o aparecimento de novos fluidos frigorig neos impulsionados pelo protocolo de Montreal que tornaram poss vel a redu o das dimens es f sicas do sistema e o aumento da efici ncia do respectivo ciclo houve tentativas de revitalizar o sistema de ejec o Apesar destes sistemas ainda n o se encontrarem dispon veis comercialmente nos ltimos anos tem sido feitos variados estudos nomeadamente para aplica es de aquecimento e ou arrefecimento utilizando para esse efeito na maioria das vezes a energia solar Varga et al 2008 Godefroy et al 2007 Chunnanond et al 2004 Yapici et al 2008 Vidal et al 2006 Guo et al 2009 Bournaraf et al 2009 Meyer et al 2009 Clito 2008 Lazzarin 2004 e Huang et al 1998 29 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Mo
123. te at ser atingida uma velocidade supers nica sa da da ponteira tipicamente superior a Mach 2 Isto produz uma diminui o de press o no evaporador resultando numa baixa temperatura de evapora o Assim o fluido de trabalho a baixa press o no evaporador aspirado e misturado totalmente com o fluido principal na c mara de mistura a uma press o interm dia compress o do fluido secund rio De seguida de modo a obter as condi es de press o sa da do difusor verificou se a exist ncia ocorr ncia de ondas de choque na sec o compreendida entre a c mara de mistura e a entrada do difusor Esse fen meno traduz um aumento s bito da press o do fluido misturado A mistura dos dois fluxos desacelerada no difusor antes de entrar no condensador A mistura ent o comprimida na sec o divergente deste podendo a press o sa da ser 5 a 15 vezes superior de suc o Parte do l quido condensado regressa ao gerador atrav s da bomba e o remanescente expandido no sistema de expans o novamente para o evaporador Assim o sistema de ejector pode ser visto como constitu do por dois ciclos gt Um ciclo motor que opera entre o gerador e o condensador e que gera o fluido principal para o ejector gt Umciclo frigor fico que opera entre o condensador e o evaporador Apesar deste sistema ainda n o se encontrar dispon vel no mercado existem v rias empresas que fabricam os ejectores que podem ser usados neste ti
124. te averiguar que para mesmo ejector e para as temperaturas do gerador e do evaporador dadas o coeficiente de arrastamento descresce rapidamente com o aumento da temperatura do condensador Para uma temperatura do gerador de 72 C o coeficiente de arrastamento calculado de 0 174 enquanto que para uma temperatura do gerador superior por exemplo 90 C o coeficiente de arrastamento obtido significativamente maior 0 3607 A varia o do coeficiente de arrastamento com a temperatura no evaporador pode ser vista na figura 27 Para uma dada temperatura do gerador e do condensador o coeficiente de arrastamento aumenta com a temperatura do evaporador Quando a temperatura do evaporador mais elevada a press o do evaporador maior e por isso uma pequena a quantidade de fluido prim rio suficiente para criar suc o e permitir a entrada do fluido secund rio requerido no ejector Para um consulta mais detalhada dos valores obtidos na avalia o do desempenho do ciclo de ejec o consulte o anexo C No anexo C tamb m pode ser consultado o gr fico correspondente evolu o da pot ncia de arrefecimento com a temperatura do condensador 52 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 13 Dimens es do ejector para diferentes condi es de opera o T Te IT Caudal m ssico kg s Di metro m Di metro m g CO COICO Gerador Evaporador
125. teristicas das unidades de micro cogera o que usam motores de combust o interna dispon veis comercialmente senenn cheek E EEE S E O E E S EEE E apenas SEa 20 Tabela 3 Caracter sticas das micro turbinas Simader 2002 cccccssscesscecssecseececssecseeceesaecseeeeeseceeeessaeeesees 22 Tabela 4 Fabricantes e modelos de micro turbinas existentes no mercado CEETA 2001 22 vii Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Tabela 5 Caracter sticas dos motores Stirling Simader 2004 eee eeerecerereenan s 24 Tabela 6 Fabricantes e modelos de motores Stirling existentes no mercado Green 2008 24 Tabela 7 Modelos existentes no mercado brevemente Green 2008 ccccsscceseesceceeseececseeeeecseeeeeessneeeeneaes 27 Tabela 8 Especifica es da unidade CHP Dachs e o desempenho monitorizado no estado est vel 34 Tabela 9 Valores das vari veis de projecto erre ereac antera raneenaae en aeae anne aa anne raaar en aaanan a 44 Tabela 10 Estimativa inicial e limites das solu es modificados e eercerrereareeana 46 Tabela 11 Factores de selec o para as mesmas condi es de opera o rea 47 Tabela 12 Dimens es do ejector para as condi es de projecto e rereererereeareeana 49 Tabela 13
126. tor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 3 2 Princ pio de funcionamento A figura 17 ilustra esquematicamente um sistema deste tipo Como se pode ver na Zz sua vers o b sica este constitu do por um ejector um condensador uma v lvula de expans o um evaporador um gerador de calor e uma bomba Evaporador Figura 17 Sistema ejector Alexis 2004 Como foi afirmado anteriormente o ejector substitui o cl ssico compressor dos sistemas de compress o de vapor Em todas as considera es posteriores foi tido em conta um sistema que opera somente com um fluido frigorig neo situa o muito frequente O ejector um dispositivo que faz recurso energia cin tica de um fluido principal para movimentar um segundo fluido secund rio por suc o e mistura directa Como poss vel observar na figura 18 o ejector constitu do por quatros partes que necess rio ter em conhecimento uma convergente uma entrada secund ria uma c mara de mistura de sec o constante press o constante e um difusor Entrada secund ria Convergente Sec o constante Figura 18 Princ pio de funcionamento de um ejector Varga 2008 30 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Figura 19 Ejector da SAMHWA International 2007 Desse modo o ejector aumenta velocidade do fluido principal obtido no gerador no convergen
127. tro do tema em estudo foi dado a conhecer o conceito de micro cogera o bem como as suas principais aplica es Com a implementa o do decreto lei n 363 2006 que visa incentivar a utiliza o de recursos end genos e renov veis ou a produ o combinada de calor e electricidade foram estabelecidos dois regimes de renumera o de venda de electricidade rede o regime geral e o bonificado De seguida foi feito uma pesquisa do estado de arte das tecnologias de convers o existentes quer a n vel comercial motores de combust o interna colectores t rmicos e mais recentemente ciclo de rankine org nico quer a n vel de investiga o e desenvolvimento motores stirling micro turbinas a g s de baixa pot ncia c lulas de combust vel e colectores h bridos Finalmente este cap tulo terminou com uma abordagem detalhada ao ciclo de ejec o onde foi dado a conhecer o seu princ pio de funcionamento os componentes que os constituem algumas das suas aplica es e as suas vantagens relativamente aos outros ciclos de arrefecimento os baixos custos de investimento e manuten o e exist ncia de poucas partes m veis No terceiro cap tulo procedeu se defini o e modela o matem tica do sistema a implementar presente na figura 20 Como sistema de micro cogera o foi seleccionado a unidade CHP da Senertec uma vez que apresentava menor pre o espec fico consultar a tabela 1 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o
128. tura minima do evaporador deve ser de 13 C para alcan ar um COP de pelos menos 0 2 Para um temperatura do gerador mais alta por exemplo 90 C a temperatura do evaporador requerida deve ser maior que 8 C para obter o mesmo COP Na an lise energ tica e econ mica foi evidenciado os distintos benef cios de opera o do sistema de micro cogera o acoplado a um ciclo de ejec o durante um ano a electricidade produzida vendida nesse per odo de tempo o calor produzido para aquecimento ambiente e guas sanit rias no Inverno e a energia de arrefecimento produzida no Ver o Os valores de energia obtidos podem ser consultados nas subsec es 5 1 5 2 e 5 3 respectivamente Na an lise econ mica do sistema foram avaliados tr s par metros o pre o do calor til o pre o da electricidade e o tempo de amortiza o Para uma dada situa o os v rios pre os do calor til obtidos foram inferiores no sistema em estudo comparativamente aos sistemas convencionais de refer ncia subsec o 5 4 1 Para uma mesma situa o os pre os da electricidade obtidos para o sistema em estudo revelaram se id nticos ao pre o da electricidade da rede no caso do Porto e Bragan a Por m em Lisboa e Faro os pre os da electricidade obtidos foram relativamente superiores ao custo da electricidade da rede Todos os casos estudados apresentaram tempos de amortiza o s o bastante aceit veis uma vez que na sua maioria o sistema fica rentabi
129. uecedor a g s revela se bastante interessante pois para as mesmas condi es no condensador e evaporador o COP conseguido mais elevado O desempenho do ciclo de arrefecimento aumenta com a temperatura do evaporador como se pode observar na Figura 25 Para uma temperatura do gerador de 72 C a temperatura do evaporador deve ser de pelo menos 13 C para alcan ar um COP de pelo menos 0 2 Para um temperatura do gerador mais alta por exemplo 90 C a temperatura do evaporador requerida deve ser maior que 8 C para obter o mesmo COP Numa t pica unidade de ar condicionado onde a temperatura do evaporador aproximadamente 10 C o gerador deve operar pelo menos a aproximadamente 80 C de modo a obter um COP de pelo menos 0 2 0 7 0 65 a Te 10 C 0 55 a E Tg 90 C 0 5 0 45 m Tg 72 C 0 4 lt 0 35 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Te C Figura 26 Coeficiente de arrastamento para diferentes temperaturas do condensador e entrada do ejector 51 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 0 7 0 65 0 6 Te 35 C E 0 55 E Tg 90 C 0 5 E 0 45 O Tg 72 C E 0 4 lt 0 35 0 3 0 25 0 2 0 15 0 1 0 05 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Te C Figura 27 Coeficiente de arrastamento para diferentes temperaturas do evaporador e entrada do ejector O gr fico da figura 26 permi
130. vamente poder o n o recorrer a um gerador mas basear se na convers o electroqu mica directa como no caso da c lula de combust vel ou na convers o fotovoltaica da radia o como no caso dos colectores solares h bridos 13 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o 2 2 3 1 Sistemas de micro cogera o com motores de combust o interna uma tecnologia que recorre aos convencionais motores de combust o interna compar veis aos usados nos autom veis Como se verifica no caso em estudo quando usado para a produ o simult nea de electricidade e calor ao motor encontra se acoplado um gerador el ctrico bem como um permutador de calor de modo aproveitar o calor proveniente dos gases de exaust o para produzir frio Este tipo de motores apresenta efici ncias elevadas mesmo quando possuem pequenas dimens es Os motores de combust o interna podem ser divididos em duas categorias i Motores Diesel ii Motores Otto Motores Diesel Tamb m conhecidos por motores de igni o por compress o A maioria dos motores Diesel usados para a produ o combinada de electricidade e calor s o motores a quatro tempos em que o seu ciclo operativo composto por quatro fases admiss o compress o combust o e escape Durante a primeira fase a v lvula de admiss o encontra se aberta e admitido ar puro para dentro do cilindro Na segunda fase com ambas as v
131. xemplo o EES As vari veis de projecto To Te Tc Q e as propriedades termodin micas do fluido de trabalho devem ser conhecidas As variadas efici ncias isentr picas constantes em estudo tamb m devem ser conhecidas atrav s da literatura ver anexo B As outras dimens es do ejector como Leony Lm La daif dnozz dnozz ex dm podem ser determinadas com recurso a algumas recomenda es da ASHRAE ASHRAE 1983 As recomenda es propostas pela ASHRAE aplicam se a ejectores a vapor mas tamb m podem ser usadas para o dimensionamento de outro tipo de ejectores Sucintamente sugerem o seguinte 1 Os ngulos do cone empregues na zona divergente da ponteira variam entre uma gama de 8a 15 com 10 12 mais comum 11 Na sec o de mistura ter um comprimento correspondente a 6 10 vezes o di metro da garganta da ponteira embora 7 seja mais comum iii Os ngulos referentes zona de mistura s o cerca de 7 10 para a primeira por o e 3 4 para a segunda por o 1v A zona de sec o constante tipicamente 3 5 vezes o di metro da garganta da ponteira de modo a acomodar o padr o do choque e a sua circula o sob carga axial Foi usado o valor m dio v O difusor tem sempre uma forma c nica com um ngulo compreendido entre 5 a 12 embora 8 10 seja o mais utilizado Na pr tica o seu comprimento 4 12 vezes superior o di metro da garganta da ponteira embora 5 seja o mais u
132. xicidade Inflamabilidade ODP GWP evapora o COP Frigorig neo gerador bar bar R 134a N o t xico n o inflam vel 0 0 02 22 15 4 15 0 1536 0 1778 R 152a N o t xico n o inflam vel 0 0 0091 19 74 3 73 0 1665 0 1860 HFE 7100 N o t xico n o inflam vel 0 0 0026 1 47 0 14 0 07864 0 1197 HFE 7000 N o t xico n o inflam vel 0 0 0025 3 22 0 38 0 1208 0 174 n pentano N o t xico Alta 0 0 002 2 99 0 38 0 1366 0 1781 Escala GWP de 0 a 1 para CO2 GWP 1 Escala ODP de O a 1 para R 11 ODP 1 Os valores presentes na tabela 11 permitiram chegar conclus o que todos os fluidos frigorig neos seleccionados previamente apresentam ser um boa escolha quando apenas se tem em considera o os crit rios ambientais possuem um ODP nulo N o afectam a camada de ozono uma vez que n o possuem tomos de cloro que na presen a de uma mol cula de ozono lhe retira um tomo de oxig nio dando origem ao mon xido de cloro Sendo esta mol cula muito inst vel o tomo de oxig nio acaba por se libertar para formar uma mol cula de O ficando o cloro dispon vel para a destrui o de outra mol cula de ozono 47 Estudo de um Sistema de Micro Cogera o com Motor de Combust o Interna Acoplado a um Ciclo de Ejec o Simultaneamente todos eles apresentam um GWP reduzido contudo os HFEs e o n pentano contribuem menos para o aumento do efeito de estufa pois tem um GW

Estudo de um Sistema de Micro

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