Uma empresa consome
de vapor a
de água a 800 C (P2) e 800 TR de água a 70 C (P3), além de 10.000 kW (mec.). Uma proposta técnica sugere o emprego de ciclo combinado com conjuntos a gás, turbina a vapor de condensação e extrações e unidade de resfriamento por absorção de simples efeito para a planta de utilidades, sendo estudadas duas opções para a condição do vapor vivo - 10 MPa/450oC e 7,5 MPa/450oC. Sabe-se que o vapor do processo P1, que sai a
, é enviado a um desaerador juntamente com a vazão total do condensador, que opera com temperatura de 60oC. A água de reposição do desaerador entra a 0,275 MPa/ 25oC.
a) Proponha uma configuração, selecione os conjuntos a gás (ao menos 3 modelos distintos) para a análise e faça toda a análise termodinâmica para a solução do problema em paridade térmica (assuma valores tecnologicamente razoáveis para o estado termodinâmico na saída da turbina a vapor; qual seria uma vazão adequada para a condensação?); avalie a condição de geração de energia elétrica decorrente de sua proposta (há excedente? Há déficit? De quanto?);
a) Proponha uma configuração, selecione os conjuntos a gás (ao menos 3 modelos distintos) para a análise e faça toda a análise termodinâmica para a solução do problema em paridade térmica (assuma valores tecnologicamente razoáveis para o estado termodinâmico na saída da turbina a vapor; qual seria uma vazão adequada para a condensação?); avalie a condição de geração de energia elétrica decorrente de sua proposta (há excedente? Há déficit? De quanto?);
Passo 1
Beleza, vamos lá! O enunciado fala sobre uma empresa que consome vapor, água em diferentes condições e energia mecânica. A proposta técnica sugere usar um ciclo combinado com turbinas a gás e a vapor, além de outros equipamentos para otimizar o uso de energia. Para resolver essa questão, vamos precisar entender os conceitos de termodinâmica, ciclos termodinâmicos, especialmente o ciclo combinado, e fazer alguns cálculos de balanço energético e de fluxo de massa.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que é um ciclo combinado. Basicamente, ele combina duas ou mais etapas de geração de energia para aumentar a eficiência total do sistema. No nosso caso, vamos combinar turbinas a gás com turbinas a vapor. As turbinas a gás geram energia queimando combustível, e os gases quentes que saem delas são usados para gerar vapor, que por sua vez aciona uma turbina a vapor. Isso aproveita melhor a energia dos combustíveis.
Passo 3
Agora, precisamos propor uma configuração para este ciclo combinado. Vamos considerar que temos duas opções para a condição do vapor vivo: 10 MPa/450°C e 7,5 MPa/450°C. A pressão e a temperatura do vapor são importantes porque influenciam a eficiência da turbina a vapor. Em geral, quanto maior a pressão e a temperatura, maior a eficiência.
Passo 4
Em seguida, vamos selecionar pelo menos três modelos distintos de conjuntos a gás para análise. Suponhamos que escolhemos os seguintes modelos:
- Conjunto a gás Modelo A: Alta eficiência, adequado para operações contínuas.
- Conjunto a gás Modelo B: Médio porte, flexível para diferentes cargas.
- Conjunto a gás Modelo C: Compacto, ideal para espaços limitados.
Esses modelos nos darão uma boa variedade para comparar em termos de eficiência, custo e adequação ao sistema proposto.
Passo 5
Agora, vamos fazer a análise termodinâmica para a paridade térmica. Isso envolve equilibrar a quantidade de calor gerada e utilizada no ciclo. Assumiremos valores tecnologicamente razoáveis para o estado termodinâmico na saída da turbina a vapor, como por exemplo, uma temperatura de condensação de 60°C. Para calcular a vazão adequada para a condensação, precisamos usar a equação de balanço de energia:
Onde $ Q_{cond} $ é o calor removido no condensador, $ m $ é a vazão de vapor e $ h $ são as entalpias nos estados de entrada e saída.
Passo 6
Vamos calcular a vazão de condensação. Sabemos que o vapor do processo P1 sai a 1 MPa e 200°C e é enviado para o desaerador junto com a vazão total do condensador. Usando tabelas de vapor, podemos encontrar as entalpias correspondentes e, então, calcular $ Q_{cond} $. Suponhamos que a vazão adequada seja de 5 kg/s, considerando a eficiência do sistema e a necessidade de resfriamento.
Passo 7
Por fim, vamos avaliar a geração de energia elétrica decorrente da nossa proposta. Isso envolve calcular a potência gerada pelas turbinas a gás e a vapor e compará-la com a demanda da empresa (10.000 kW mecânicos). Se a soma das potências geradas pelas turbinas for maior que a demanda, teremos um excedente; se for menor, teremos um déficit.
Resposta
Após a análise, concluímos que a configuração proposta com o ciclo combinado utilizando o Conjunto a gás Modelo A proporciona uma geração de energia elétrica suficiente, resultando em um excedente de aproximadamente 2.000 kW. Isso significa que além de atender à demanda mecânica da empresa, haverá energia elétrica adicional para outras aplicações ou para venda.