1) O documento apresenta um curso sobre tecnologia de cogeração de energia realizado em agosto de 2003. 2) Aborda os princípios termodinâmicos que embasam a cogeração, diferentes ciclos termodinâmicos e processos utilizados. 3) Detalha os equipamentos e sistemas de cogeração, incluindo caldeiras de recuperação de calor e equipamentos de ciclo térmico.

1. Curso de Vapor - SINATUB
Data: 28 e 29 de Agosto de 2003
Local : Hotel Nacional Inn Village - Auditório Cenacon
Ribeirão Preto - S.P.
Geração, Distribuição, Utilização e Consumo
Tecnologia de Cogeração de Energia
Palestrante:
Engº Reynaldo Lagonera Quinto
1

2. Índice
2
Pagina
1 INTRODUÇÃO............................................................................................ 3
2 EMBASAMENTO TEÓRICO....................................................................... 3
3 CICLOS DE POTÊNCIA USADOS NA COGERAÇÃO DE ENERGIA ..... 11
3.1 Ciclos Termodinâmicos Básicos.......................................................... 14
3.2 Ciclos Alternativos ................................................................................ 21
3.3 Ciclos e Processos Inovativos ............................................................. 26
4 COGERAÇÃO DE ENERGIA ................................................................... 35
4.1 Introdução .............................................................................................. 35
4.2 Cogeração com Turbinas a Vapor........................................................ 38
4.3 Cogeração com Turbinas a Gás ........................................................... 41
4.4 Cogeração em Ciclo Combinado.......................................................... 43
4.5 Cogeração com Motores de Combustão Interna ................................ 51
4.6 Custos de Geração ................................................................................ 52
5 CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO DE CALOR....................................... 54
5.1 Introdução .............................................................................................. 54
5.2 Tipos básicos......................................................................................... 54
5.3 Conceitos Gerais de Dimensionamento .............................................. 60
5.4 Aspectos Construtivos.......................................................................... 61
5.5 Rendimento ............................................................................................ 62
5.6 Sistema de Tiragem dos Gases de Exaustão...................................... 63
5.7 Fabricantes............................................................................................. 65
6 EQUIPAMENTOS DE CICLO TÉRMICO.................................................. 67
6.1 Condensador e Torres de Resfriamento.............................................. 67
6.2 Desaerador e Pré-Aquecedores de Água de Alimentação ................. 72
6.3 Bombas................................................................................................... 74
7 ENCERRAMENTO.................................................................................... 83

3. 1
INTRODUÇÃO
Já foi pensamento comum, no passado, que o termo cogeração significava a operação
em paralelo do sistema de um autoprodutor com a rede elétrica da concessionária.
Cogeração, conceito adotado internacionalmente e definido pela ABNT como o uso de
uma fonte energética única (normalmente referenciada ao combustível) para produzir
duas formas diferentes de energia - energia elétrica ou mecânica e energia térmica. A
maioria da literatura disponível sobre o assunto usa a definição “geração simultânea
de eletricidade e de calor”, o que não está errado, mas também não está
rigorosamente correto. Em primeiro lugar, nem sempre prevalece a combinação
eletricidade e calor, energia elétrica e energia térmica. Em alguns casos, a coligação
pode ser a energia mecânica com a energia térmica. Em segundo lugar, a geração de
energia não é efetuada de forma simultânea, mas de modo seqüencial. Portanto,
modificando-se a definição anterior de cogeração, teremos finalmente a seguinte
definição:
Cogeração é a produção seqüencial de duas formas de energia (normalmente elétrica
e térmica), através de uma única fonte energética.
2
EMBASAMENTO TEÓRICO
A cogeração está alicerçada em princípios termodinâmicos. A termodinâmica, no seu
sentido mais amplo, é uma ciência que trata dos vários fenômenos de energia e das
propriedades relacionadas à matéria, especialmente no que concerne às leis das
transformações de calor para outras formas de energia, e vice versa. Na prática, a
engenharia termodinâmica se baseia nas transferências de energia através de fluidos
que transportam trabalho e que são utilizados em máquinas térmicas. Essas máquinas
podem ser projetadas para produzir trabalho através da queima de combustíveis ou da
transferência de calor.
O projeto, a operação e o desempenho de usinas termelétricas de cogeração,
dependem consideravelmente dessa ciência. A importância dessa ciência fica mais
evidente quando consideramos que máquinas térmicas, tais como turbinas e motores
de combustão interna, respondem por 90% da potência motriz mundial, os outros 10%
são fornecidos por centrais hidrelétricas. É importante ressaltar que quase 60% do
consumo mundial de energia primária é destinado ao acionamento de motores
térmicos.
Definições Básicas:
SISTEMA
É definido como uma porção do universo, seja um átomo, uma certa quantidade de
matéria ou um certo volume no espaço, que se deseja estudar. É uma região
circundada por fronteiras específicas, as quais podem ser imaginárias, estar em
movimento ou em repouso. Em termodinâmica, o termo SISTEMA identifica o objeto
da análise.
3

4. SISTEMA FECHADO
É um sistema com quantidade fixa de matéria, sem adição ou diminuição de massa
com o meio exterior.
SISTEMA ABERTO
É o que envolve transferência de massa e energia com o meio exterior.
PROPRIEDADE
É a característica MACROSCÓPICA de um sistema, como MASSA, VOLUME,
ENERGIA, PRESSÃO E TEMPERATURA, que não depende do histórico deste
sistema. Uma determinada quantidade ou característica (massa, volume, temperatura,
etc.), é uma PROPRIEDADE somente se a mudança de seu valor entre dois estados é
independente do processo.
As propriedades termodinâmicas para uso em engenharia são apresentadas em várias
formas, incluindo gráficos, tabelas e equações. Adicionalmente, valores de
propriedades termodinâmicas para um crescente número de substâncias estão
disponíveis em programas para micro-computadores.
SUBSTÂNCIA PURA
É definida como aquela que possui uma composição química fixa. Não precisa ser um
elemento químico ou composto. Uma mistura de vários elementos pode ser uma
substância pura, desde que a mistura seja homogênea. O estado de equilíbrio dessas
substâncias é definido pelas suas propriedades.
Como exemplos de substâncias puras temos a água, o hélio e o dióxido de carbono.
ESTADO
É a condição do sistema descrita por suas propriedades. Como normalmente existem
relações entre as propriedades, o ESTADO pode ser caracterizado por um
subconjunto de propriedades. Todas as outras propriedades podem ser determinadas
em termos de subconjunto.
PROCESSO
É a mudança de estado da matéria, devido à modificação de uma ou mais
propriedades.
Processos básicos de mudança de estado da matéria:
ƒ Processo isocórico ou isométrico – o que se passa a volume constante;
ƒ Processo isobárico – o que se processa à pressão constante;
ƒ Processo isotérmico – o que ocorre à temperatura constante;
ƒ Processo adiabático – aquele que ocorre sem troca de calor com o ambiente;
ƒ Processo isentrópico – é o processo reversível e adiabático.
4

5. ESTADO ESTACIONÁRIO
É aquele cujas propriedades são imutáveis em função do tempo.
CICLO TERMODINÂMICO
É definido como a seqüência de processos que começam e terminam em um mesmo
estado (exemplo: o vapor circulando num ciclo de potência).
Os ciclos dos processos reversíveis são chamados de ciclos ideais. Os ciclos reais
são, porém, formados por processos irreversíveis.
ENERGIA INTERNA, U
É a soma das energias cinética e potencial de um corpo ou de uma substância. È a
energia armazenada dentro de um corpo, em virtude da atividade e configuração de
suas moléculas e das vibrações dentro dessas moléculas.
CALOR, Q
Podemos definir como a energia em trânsito que passa de um corpo ou de sistema
para um outro, unicamente por causa da diferença de temperatura entre os corpos ou
sistemas. Representa a parte da energia interna transferida num processo
termodinâmico (recebida ou rejeitada por um corpo).
Para processos reversíveis usando vapor num sistema estático (sem fluxo), o calor
terá as seguintes expressões:
Para um processo a volume constante: Q = W + ΔU = U2 – U1
Para um processo à pressão constante: Q = W + ΔU = p (V2 – V1) + (U2 – U1)
= H2 – H1
Para um processo adiabático: Q = 0
TRABALHO, W
É a energia em trânsito que atravessa as fronteiras de um sistema e pode se
manifestar com o efeito único de levantamento ou deslocamento de um peso. O
TRABALHO é parte também da energia interna transmitida num processo
termodinâmico. Distingue-se do calor no sentido de que a transferência de energia é
acompanhada por um movimento visível do corpo ou, às vezes, por uma mudança de
volume. Há duas formas de transferência de trabalho:
ƒ 1) Transferência por deslocamento (exemplo: movimento do êmbolo de um pistão);
Para uma relação contínua e reversível entre as propriedades p (pressão) de uma
substância e V (volume) a expressão do trabalho transferido é:
W =∫ 2
5
1
p dV
Para um processo a volume constante: W =∫ 2
1
p dV = 0

6. Para um processo `a pressão constante: W = ∫ 2
6
1
p dV = p (V2 – V1)
Para um processo adiabático (pvk
= c) : W = ∫ 2
1
p dV =
pV p V
−
k
1 1 2 2
1
−
ƒ 2) Transferência de trabalho por eixo (exemplo: movimento giratório de uma turbina).
Chamando de T o torque e de θ o deslocamento angular originado pelo torque, a
expressão deste trabalho reversível é:
W =∫ 2
1
T dθ
ENTALPIA (Símbolo H)
A propriedade definida pela soma da Energia Interna (U) e do produto pV (Pressão e
Volume) é denominada entalpia. É a energia total de uma corrente gasosa ou líquida
composta pela energia interna U e o trabalho de deslocamento pV.
H = U + pV (kcal)
A entalpia específica ou a entalpia de um corpo com massa m é
h = H/m (kcal/kg)
ENTROPIA (Símbolo S)
O termo entropia foi introduzido pela primeira vez em 1865 por um físico alemão
Clausius. É uma propriedade de um sistema tal como pressão e temperatura.
Para um sistema termodinâmico fechado, é uma medida quantitativa da energia
indisponível para realizar trabalho. É uma propriedade do sistema que varia
diretamente com a transferência reversível do calor e inversamente com a temperatura
absoluta em que a mudança se deu, ou seja: quando adicionamos a um corpo, com
temperatura T, uma quantidade infinitamente pequena de calor dQ, a variação na
entropia do corpo vale
ds= dQ/T (somente para um processo reversível)
Com a adução de uma quantidade finita de calor Q a mudança de entropia vale,
S2 − S1 = Δ S =∫ 2
1
dQ/T
A Primeira Lei de Termodinâmica
Uma das leis fundamentais da natureza é o princípio de conservação de energia.
Afirma-se simplesmente que durante uma interação, a energia pode mudar de uma
forma para outra, mas a quantidade total de energia mantem-se constante. A energia
não pode ser criada nem destruída. A energia do sistema que passa por uma mudança

7. (processo) pode ser aumentada ou diminuída por intercâmbio com o ambiente, e
convertida de uma forma para outra dentro do sistema.
A primeira lei nos conduz ao conceito da equivalência entre calor e trabalho, ou seja: o
calor pode ser convertido em trabalho mecânico e vice-versa. Uma quantidade de
calor Q pode, da mesma forma que a energia potencial, cinética, ou elétrica, produzir
um trabalho W, ou, inversamente, este pode se transformar em calor. Essa relação
expressa-se da seguinte forma:
Q = AW
Onde o fator de proporcionalidade A é chamado de equivalente mecânico de calor.
Sabemos que a única forma de se modificar a energia interna de um corpo é
alterando a quantidade de calor (Q) ou realizando trabalho (W) sobre o mesmo.
Portanto, com base na lei da conservação de energia, temos
dQ = dU + dW
Essa equação representa a expressão matemática da primeira lei da termodinâmica.
Enuncia que a quantidade de calor dQ aduzida a um fluído, produz um aumento da
energia interna dU e trabalho externo dW.
Para que uma máquina térmica consiga converter calor em trabalho, a mesma deve
operar em um ciclo a partir de duas fontes térmicas, uma quente e outra fria, onde
retira-se calor da fonte quente (Q1), converte-o em trabalho (W), e o restante (Q2) do
calor é rejeitado para a fonte fria.
A Segunda Lei de Termodinâmica
A primeira lei é nada mais do que uma lei de balanço energético que enuncia o
intercâmbio e a conversibilidade da energia e assegura que toda a energia é
“contabilizada”. A primeira lei não indica se as conversões de energia de uma forma
para outra são realizadas perfeitamente ou se algumas formas podem ser
transformadas completamente para outras. Tal indicação foi deixada por conta da
segunda lei da termodinâmica.
A 2ª lei da termodinâmica impõe limitações na transformação de algumas formas de
energia. Ela estabelece que a energia tem qualidade, bem como quantidade, e que os
processos existentes ocorrem na direção de decréscimo de qualidade de energia. O
calor, por exemplo, só pode fluir de corpos quentes para corpos frios.
Na aprendizagem da tecnologia de cogeração, o interesse principal focaliza-se em
duas formas de energia: calor e trabalho. É importante entender que a segunda lei não
nega a equivalência de conversão dessas duas formas, apenas o grau de conversão.
Como se pode discernir, o trabalho é a commodity mais importante, pois pode ser
completamente e continuamente convertido em calor. O contrário não é possível. O
calor não pode ser completamente e continuamente convertido em trabalho. Em outras
palavras, o calor não é totalmente disponível para fazer trabalho continuamente, i.e.
7

8. dentro de um ciclo (num processo a possibilidade existe). A porção do calor que não
pode ser convertida em trabalho deve ser rejeitada para um reservatório frio (corpos
de água ou mesmo a atmosfera).
Portanto, conquanto a energia é conservada, a sua disponibilidade não o é. A
disponibilidade de um sistema é sempre decrescente. Uma outra forma de se
expressar a segunda lei da termodinâmica, é que a eficiência térmica na
transformação contínua de calor em trabalho, numa máquina térmica, deve ser sempre
inferior a 100%.
O Conceito de Reversibilidade
O conceito de reversibilidade foi introduzido pela primeira vez em 1824 por Nicolas
Leonard Sadi Carnot, um engenheiro francês que estabeleceu também as bases da
segunda lei e introduziu o conceito atual de um ciclo termodinâmico.
A reversibilidade aplica-se exclusivamente a processos. Os processos podem ser
reversíveis ou irreversíveis. Nos processos reversíveis, as substâncias, ao mudarem
de estado, são capazes de retornar a seu estado inicial, sem perdas. Obviamente, não
há processos reversíveis ou ideais no mundo real. Processos reais são irreversíveis,
ou seja: sempre acompanhados de algum tipo de perda. Essas perdas podem ser
causadas por atrito, reações químicas, vazamentos etc. Para efeito de estudo da
termodinâmica, os processos reais (irreversíveis) podem ser representados por
modelos formados por equações ideais (reversíveis),baseados no equilíbrio de duas
propriedades, multiplicados ou divididos por fatores que chamamos de eficiência do
processo.
Diagramas de Propriedades (T-S, P-v e Mollier) e Tabelas de Vapor
As fases ou estados de uma substância e os relacionamentos entre as suas
propriedades são comumente mostrados e analisados por meio de gráficos
conhecidos como diagramas de propriedades. Há cinco propriedades básicas de uma
substância que são normalmente mostradas em diagramas de propriedades. São:
pressão (P), temperatura (T), volume específico (v), entalpia específica (h), e entropia
específica (s). No caso de uma mistura de duas fases, tal como água e vapor, uma
sexta propriedade é dotada, o título (x).
Existem seis tipos de diagramas de propriedades comumente encontrados:
ƒ Diagrama P-T (Pressão-Temperatura);
ƒ Diagrama P-v (Pressão-Volume Específico);
ƒ Diagrama P-h (Pressão-Entalpia Específica);
ƒ Diagrama h-T (Entalpia Específica-emperatura);
ƒ Diagrama T-s (Temperatura-Entropia Específica);
ƒ Diagrama de Mollier (Entalpia-Entropia).
Para o estudo de ciclos de potência envolvendo vapor de água, os últimos dois
diagramas, o T-s e o Mollier, são os preferidos. Para os ciclos de potência de gás
8

9. como o Brayton, e os ciclos de potência dos motores de combustão interna, os
diagramas P-v e T-s são os mais utilizados.
Observando as particularidades do diagrama T-s, entende-se porque ele é muito útil
na análise de ciclos de vapor.
Viu-se anteriormente a expressão matemática de entropia para um processo ideal:
Δ S =∫ 2
9
1
dQ/T
Podemos re-arranjar essa expressão sem afetar a sua validade, logo teremos:
Δ Q =∫ 2
1
T dS (para as transformações reversíveis)
Nota: Δ Q < ∫ 2
1
T dS (para as transformações irreversíveis)
No caso ideal de um processo adiabático (ocorrendo sem ganho ou perda de calor) e
reversível, Δ Q = 0 e sendo reversível obedece a equação básica, portanto:
∫ T dS = 0
Porque a temperatura T não pode ser zero, dS = 0
S = constante
Fazendo a representação gráfica dessa equação tendo a entropia no eixo das
abscissas e a temperatura no das ordenadas, observa-se que a área abaixo da curva
de processo representa a quantidade de calor transferida durante o processo. Isto é
um importante atributo da entropia, pois possibilita a visualização do calor adicionado
ou removido do sistema, bem como do trabalho realizado. É uma ferramenta muito útil
para se representar processos e se analisar ciclos termodinâmicos.
O diagrama de Mollier é um outro instrumento bastante utilizado na análise dos
processos e ciclos termodinâmicos a vapor.

10. 10
O gráfico contém uma série de
linhas de temperatura constante,
uma série de linhas de teor de
umidade constante (título do
vapor), e uma série de linhas de
superaquecimento constante. O
diagrama de Mollier é usado para
o vapor saturado somente quando
o título é superior a 50% e para o
vapor superaquecido.
Outra ferramenta importante para a análise dos ciclos de vapor são as tabelas de
vapor. Consistem de dois conjuntos de tabelas indicando as propriedades de
transferência de energia de água e vapor, tabelas de vapor saturado e tabelas de
vapor superaquecido. As tabelas compilam valores de pressão (P), temperatura (T),
volume específico (v), entalpia específica (h), e entropia específica (s).

11. 3
CICLOS DE POTÊNCIA USADOS NA COGERAÇÃO DE ENERGIA
As raízes das 1ª e 2ª leis da termodinâmica estão relacionadas com os estudos de
ciclos. Para converter energia em suas diversas formas, particularmente em calor, com
a finalidade de realizar trabalho de modo contínuo, precisa-se operar no âmbito de um
ciclo termodinâmico. Um processo começa num determinado estado do fluído de
processo e termina num outro, e pára por ai. O ciclo, por outro lado, como já se viu
anteriormente, é uma série de processos que começa e termina no mesmo estado, e
portanto pode se repetir indefinidamente, ou até quando se quiser.
Os ciclos termodinâmicos são importantes em várias aplicações da engenharia, como:
ƒ Geração de energia;
ƒ Propulsão de veículos;
ƒ Refrigeração.
11

12. Podem ser divididos em duas grandes categorias, ciclos de potência e ciclos de
refrigeração, dependendo da finalidade a que se destinam. Os ciclos de potência são
destinados a produzir um trabalho líquido positivo, e os equipamentos utilizados para a
realização dos mesmos são conhecidos, coletivamente, pelo nome de máquinas
térmicas e motores de calor.
O Ciclo de Carnot e a Terceira Lei da Termodinâmica
Foi Sadi Carnot, um engenheiro francês responsável pelo estabelecimento das bases
da segunda lei da termodinâmica, que introduziu o conceito de um ciclo termodinâmico
pela primeira vez. O ciclo, conhecido como o ciclo de Carnot, é o ciclo termodinâmico
mais eficiente possível, o qual estabelece o limite teórico para a eficiência dos ciclos
de potência.
O ciclo acadêmico proposto por Carnot é um ciclo ideal e, portanto, apenas hipotético,
pois sabemos que ciclos ideais com processos reversíveis não existem. Apesar disso,
o ciclo de Carnot é considerado a pedra angular da termodinâmica e serve como o
principal referencial para se avaliar o desempenho de outros ciclos de potência.
O ciclo de Carnot opera entre dois reservatórios térmicos: um reservatório quente, que
é a fonte de calor, e um reservatório frio, para onde o calor excedente é rejeitado. O
fluido de trabalho que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos
internamente reversíveis:
ƒ Processo 4-1: O fluído de trabalho é comprimido, isentropicamente, do estado 1 até
12
estado 2.
ƒ Processo 1-2: O fluído de trabalho é colocado em contato com o reservatório quente
e absorve energia térmica, isotermicamente, do reservatório, por
transferência de calor.
ƒ Processo 2-3 O fluído se expande, isentropicamente, até atingir a temperatura do
reservatório frio.
ƒ Processo 3-4: O fluído é colocado em contato com o reservatório frio para efetuar a
rejeição de calor residual e é comprimido, isotermicamente, até o seu
estado inicial, enquanto perde energia térmica para o reservatório
frio, por transferência de calor.

13. 13
ƒ
Calculando o calor absorvido teremos
QA = TH (S2– S1),
Similarmente, calculando o calor rejeitado teremos
QR = TL (S3 – S4),
O trabalho efetivo corresponde à diferença entre o calor absorvido e o calor rejeitado,
ou seja:
W = ΣQ = TH (S2 – S1) – TL (S3 – S4)] = (TH – TL) (S2 – S1),
onde S3 – S4 = S2 – S1
Uma atribuição significativa do diagrama T-s fica evidente agora: a área envolvida
pelas linhas de processo no diagrama representa o trabalho realizado por unidade de
massa, sendo que o trabalho será sempre equivalente ao calor absorvido menos o
calor rejeitado .
A eficiência térmica ou o rendimento do ciclo é definida como a razão entre o trabalho
feito e o calor que teve que ser fornecido ao sistema durante o ciclo, logo:
H
W Q Q
= − Q
= −
C T
L
R
A
A R
A
A
T
Q
Q
Q
−
η = = 1 1
A equação, para a eficiência, mostra que ela só pode valer 1, correspondendo a 100%
de eficiência, se o calor QR liberado pelo sistema para o reservatório mais frio for nulo.
Esta eficiência pode ser reescrita apenas em termos das temperaturas TH e TL dos
dois reservatórios, deste modo a eficiência de um ciclo de Carnot, para um gás ideal, é
função apenas da razão entre as temperaturas do reservatório frio e do reservatório
quente.

14. Quando o físico inglês William Thomson (mais conhecido como Lord Kelvin) obteve
esta relação, ele percebeu que ela poderia ser usada para se definir uma escala
absoluta de temperatura, que não fizesse referência a qualquer material usado para
essa medição. Isto porque as propriedades do ciclo de Carnot são independentes da
substância de trabalho usada. Esta escala é conhecida atualmente como escala de
temperatura absoluta, ou escala Kelvin. Por convenção, a temperatura de referência
para a escala Kelvin é a temperatura na qual podem coexistir em equilíbrio, gelo, água
no estado líquido e vapor d’água, um estado conhecido como ponto triplo da água. O
valor atribuído para essa temperatura de referência é de 273,16 K, lembrando que –
273,16° C ou 0° K, corresponde, teoricamente, à total ausência de calor.
Como vimos anteriormente, a fórmula para a eficiência do ciclo de Carnot mostra que
ela só pode ser igual a 1 se a temperatura do reservatório frio for de 0º K. Se isto fosse
possível, qualquer máquina de Carnot operando entre um reservatório quente a uma
temperatura TA e um reservatório frio a TB = 0º K, converteria todo o calor QA recebido
do reservatório quente em trabalho. Usando esta idéia, Kelvin definiu o zero absoluto
da seguinte maneira: O zero absoluto é a temperatura de um reservatório em contato
com o qual uma máquina de Carnot não perde calor. Experimentalmente ainda não se
atingiu e teoricamente é impossível se atingir o zero absoluto.
O fato de que se pode chegar próximo do zero absoluto de temperatura sem nunca
atingi-lo, é conhecido como a terceira lei da termodinâmica.
3.1
Ciclos Termodinâmicos Básicos
Há quatro ciclos de potência geralmente usados na geração de eletricidade: o ciclo
Rankine, o ciclo Brayton, o ciclo Otto, e o ciclo Diesel. O ciclo Rankine é utilizado na
maioria das usinas termelétricas que operam em regime básico. O ciclo Brayton é o
ciclo de potência adotado para turbinas a gás, freqüentemente utilizadas para a
operação nos horários de pico de demanda elétrica. Os ciclos Otto e Diesel são os de
motores de combustão interna que acionam os geradores geralmente empregados
para aplicações de geração menores.
3.1.1
Ciclo Rankine
Os desenvolvimentos iniciais da termodinâmica concentraram-se no melhoramento do
desempenho de motores a vapor. Era desejável criar um ciclo que aproximasse o
máximo possível da condição ideal de reversibilidade e que se adequasse às
características do vapor e ao controle do processo melhor do que o ciclo de Carnot.
Nessa direção é que o ciclo Rankine foi desenvolvido.
O ciclo Rankine foi criado por um inventor escocês que lecionava na Universidade de
Glasgow, William John M. Rankine, que em 1859 escreveu o primeiro livro sobre
termodinâmica. Foi o primeiro modelo de comparação de usinas termelétricas a vapor
que teve aceitação pela comunidade científica mundial e que continua sendo o modelo
utilizado até hoje.
14

15. O ciclo Rankine é um ciclo do tipo líquido-vapor, diferente do ciclo Carnot, que é um
ciclo adequado para todos os tipos de fluídos. São quatro os processos num ciclo
Rankine ideal, a saber:
ƒ Processo 1-2: Compressão isentrópica do fluído de trabalho (em estado líquido);
ƒ Processo 2-3: Aquecimento isobárico e ebulição do fluído de trabalho;
ƒ Processo 3-4: Expansão isentrópica do fluído de trabalho (estado de vapor
saturado);
ƒ Processo 4-1: Rejeição de calor isobárico até a condensação total do vapor.
Para a realização do ciclo Rankine ideal utilizam-se quatro equipamentos básicos:
ƒ Uma bomba para efetuar a compressão isentrópica do fluído de trabalho que neste
ponto se encontra no estado líquido, possibilitando assim a sua entrada no segundo
equipamento que é;
ƒ Uma caldeira para aquecer o liquido até o ponto de saturação e posteriormente
evaporá-lo até tornar-se vapor saturado;
ƒ Uma turbina onde o vapor saindo da caldeira é expandido para realizar trabalho, e
por fim;
ƒ Um condensador para resfriar o vapor e transformá-lo em líquido, permitindo assim
sua reentrada no ciclo através do bombeamento.
O ciclo Rankine ideal inclui ainda a possibilidade de superaquecimento. Neste caso, o
processo de aquecimento continuaria após o vapor atingir o ponto de saturação e só
terminaria ao se chegar à temperatura desejada. O superaquecimento aumenta
sensivelmente a eficiência térmica do ciclo e, adicionalmente, garante que o vapor que
entra na turbina não contém umidade, o que pode provocar o desgaste das palhetas.
O ciclo Rankine não é tão eficiente como o ciclo Carnot, porém é mais prático, sendo
que a compressão não se realiza numa região de mistura líquido-vapor e exige apenas
15

16. um pequeno trabalho. A água é praticamente a única substância utilizada no ciclo
Rankine como fluído de trabalho, devido a sua abundância e porque possui boas
propriedades térmicas.
A análise do ciclo Rankine ideal é simples. Considerando como base uma unidade de
massa do vapor:
Trabalho de bombeamento: WP =  (h1  h2) = h2  h1
Calor adicionado: QA = h3  h2
Trabalho da turbina: WT = h3  h4
Calor rejeitado: QR = h4 – h1
Trabalho líquido W = (h3  h4)  (h2  h1)
Eficiência térmica, ηR:
16
( ) ( )
h h h h
3 4 2 1
( 3 2 )
R −
h h
W
A
Q
− − −
η = =
Ciclos de Vapor para Usinas Modernas
As representações dos ciclos de potência a vapor apresentadas até agora não
retratam fielmente as usinas termelétricas a vapor modernas. De maneira geral, várias
modificações precisam ser incorporadas a esses ciclos para se melhorar o
desempenho global, sendo as mais conhecidas o superaquecimento e o
reaquecimento de vapor.
O ciclo Rankine ideal inclui a possibilidade de superaquecimento. Neste caso, o
processo de aquecimento continuaria após o vapor atingir o ponto de saturação e só
terminaria ao se chegar à temperatura desejada. O superaquecimento aumenta
sensivelmente a eficiência térmica do ciclo e, adicionalmente, garante que o vapor que
entra na turbina não contém umidade, o que provocaria o desgaste prematuro das
palhetas. O superaquecimento é realizado através de uma superfície de troca de calor
adicional, conhecida como superaquecedor. Na terminologia de engenharia de usinas
termelétricas, a combinação de uma caldeira e um superaquecedor é denominada
gerador de vapor. Nos geradores de vapor modernos são normalmente empregadas
duas ou mais seções de superaquecedores, dependendo do grau de
superaquecimento desejado. O ciclo de vapor com superaquecimento possui uma
temperatura média de adução de calor mais elevada do que o ciclo sem
superaquecimento, proporcionando, dessa forma, uma eficiência térmica mais alta.
Além disso, o título do vapor no final da expansão dentro da turbina é sempre maior,
se comparado ao estado final do vapor expandido, sem superaquecimento.
Uma modificação adicional normalmente utilizada é o reaquecimento do vapor. No
ciclo com reaquecimento, o vapor não é expandido até a pressão do condensador num
único estágio. O vapor expande-se através de uma turbina de primeiro estágio até uma
pressão intermediária entre a pressão do vapor superaquecido e a pressão do
condensador. Neste caso, o vapor é extraído de um estágio intermediário da turbina e
é re-introduzido no gerador de vapor, onde é reaquecido. Após o reaquecimento, o

17. vapor volta à turbina e expande-se num segundo estágio, até a pressão do
condensador. Como no caso do superaquecimento, as principais vantagens do
reaquecimento são o aumento da eficiência térmica e o aumento do título do vapor.
No ciclo Rankine, mesmo com os melhoramentos através do uso de
superaquecimento e de reaquecimento, a água fria é admitida para a alimentação da
caldeira, a qual se mistura com a água quente dentro da mesma. Além de provocar
choque térmico, essa mesclagem ocasiona um alto grau de irreversibilidade
termodinâmica. O método usualmente utilizado para reduzir essa irreversibilidade é o
aquecimento regenerativo da água de alimentação ou simplesmente regeneração.
Essa solução aumenta a eficiência térmica do ciclo de vapor e faz com que a água de
alimentação entre na caldeira no seu estado saturado. O processo de regeneração
adotado em usinas termelétricas envolve a extração de uma parte do fluxo de vapor da
turbina em determinados pontos de expansão, utilizando-se o calor residual do vapor
para o pré-aquecimento da água de alimentação da caldeira, por meio de trocadores
de calor especialmente projetados para essa finalidade. O aquecimento se realiza
numa série de passos sucessivos e não continuamente. A água produzida por
condensação do vapor nos pré-aquecedores geralmente se junta à água de
alimentação, que é impulsionada por meio de bombas.
3.1.2
Ciclo Brayton
O ciclo de potência utilizado em turbinas a gás foi originalmente proposto por dois
inventores, separadamente: o cientista inglês James Prescott Joule e o engenheiro
americano da cidade de Boston, Estados Unidos, chamado Geoge Brayton. Portanto o
ciclo termodinâmico de turbinas a gás tem dois nomes: ciclo Brayton e ciclo de Joule.
Como é sabido, o primeiro prevalece atualmente. Há poucas pessoas que o chamam
de ciclo de Joule.
A primeira turbina a gás, construída com êxito em 1939 pela Heinkel Aircraft Company,
continua sendo o modelo para praticamente todos os aviões,(exceto os de pequeno
porte), assim como para muitos barcos de alta velocidade e, cada vez mais, na
geração de energia elétrica.
No ciclo Brayton ideal, o fluído de trabalho é o ar, o qual passa por quatro processos:
ƒ Processo 1-2: O ar é introduzido num compressor onde é submetido a compressão
17
isentrópica;
ƒ Processo 2-3: O ar comprimido é conduzido para uma câmara de combustão, onde
recebe calor à pressão constante, através da queima do
combustível. O ar, neste processo, serve como comburente para o
processo da queima;
ƒ Processo 3-4: Os produtos da combustão entram na turbina e se expandem
isentropicamente;
ƒ Processo 4-1: O calor restante é lançado à atmosfera à pressão constante.

18. Considerando como base uma unidade de massa do ar:
Trabalho de compressão: WC =  (h1  h2) = h2  h1
Calor adicionado: QA = h3  h2
Trabalho da turbina: WT = h3  h4
Calor rejeitado: QR = h4 – h1
Trabalho líquido W = (h3  h4)  (h2  h1)
Eficiência térmica:
18
( ) ( )
h h h h
3 4 2 1
( 3 2 )
R −
h h
W
Q
A
− − −
η = =
3.1.3
Ciclo Otto
Os motores alternativos de combustão interna trabalham com dois tipos de ciclo: o
ciclo Otto e o ciclo Diesel.
O ciclo Otto, de quatro tempos, foi desenvolvido em 1867 por Nikolaus August Otto,
um engenheiro alemão. É considerado o protótipo ideal para a grande maioria de
pequenos motores de combustão interna e largamente utilizado em transportes nos
dias de hoje.
No ciclo ideal Otto do tipo padrão a ar, adota-se o ar como o fluído de trabalho, o qual
passa por quatro transformações: duas adiabáticas e duas isométricas. Nessas
condições, os motores são classificados como de quatro tempos e os processos
inerente ao seu ciclo são:
ƒ Processo 1-2: Compressão isentrópica – em que a mistura de vapor de combustível
(que presumimos como sendo a gasolina) e de ar entra à pressão

19. constante em 1 (admissão) e é comprimida, adiabaticamente, até 2
(compressão);
ƒ Processo 2-3: Adicionamento de calor – a mistura é aquecida instantaneamente por
meio da combustão da mistura, enquanto o volume permanece
constante. A pressão e a temperatura aumentam devido à centelha
elétrica da vela, que promove a ignição da mistura (ignição ou
explosão);
ƒ Processo 3-4: Expansão isentrópica – em que os gases expandem-se
adiabaticamente realizando trabalho do motor (expansão);
ƒ Processo 4-1: Rejeição de calor – os gases são descarregados do motor e
lançados à atmosfera a volume constante (exaustão), completando
assim um ciclo.
Independentemente do tipo de fluído de trabalho para o caso de um processo
reversível num sistema estático (sem fluxo), o calor Q = ΔU, portanto:
Calor adicionado: QA = U3 – U2 = m ∫ cv dT = mcv23 (T3 – T2)
Calor rejeitado: QR = U1 – U4 = m ∫ cv dT = – mcv 41(T1 – T4) = mcv41 (T4 – T1)
Trabalho líquido W = ΣQ = mcv 23(T3 – T2) – mcv41(T4 – T1)
Eficiência térmica:
19
( ) ( )
c T T c T T
v v
23 3 2 41 4 1
23( 3 2 )
O −
c T T
W
Q
v
A
− − −
η = =
Assumindo que os calores específicos provenientes dos processos 2-3 e 4-1 são
iguais, os cv´s se cancelam e a equação para eficiência do ciclo Otto pode ser
simplificada:
−
n T T O −
1 4 1
T T
3 2
= −
Utilizando a relação temperatura-volume para um processo isoentrópico e à taxa de
compressão rk = V1 /V2 = V4 /V3,
1 1− = − k
1
O r
k
n

20. 3.1.4
Ciclo Diesel
O motor a diesel surgiu em 1892 com outro engenheiro alemão, Rudolph Diesel. O
motor diesel é projetado para ser mais pesado e mais potente do que os motores a
gasolina e utiliza óleo como combustível. Eles são usados em máquinas pesadas,
locomotivas, navios, e em alguns tipos de automóvel.
O ciclo Diesel ideal é composto por duas transformações adiabáticas alternadas, uma
transformação isobárica e outra isométrica.
No ciclo Diesel ideal tipo padrão a ar, o fluído de trabalho é apenas o ar, que opera
com quatro tempos e segue quatro processos, a saber:
ƒ Processo 1-2: Compressão isentrópica – o ar é admitido ao cilindro em 1 (admissão)
e é comprimido adiabaticamente ate 2 (compressão);
ƒ Processo 2-3: Adição de calor – no final da compressão adiabática, o óleo diesel,
finamente atomizado, é injetado na câmara de combustão a uma
pressão constante, onde se mistura com o ar comprimido quente,
iniciando assim a auto-ignição da mistura (ignição) e a explosão
subseqüente;
ƒ Processo 3-4: Expansão isentrópica – os gases expandem-se adiabaticamente,
realizando trabalho do motor (expansão);
ƒ Processo 4-1: Rejeição de calor – Os gases são descarregados do motor e
exauridos à atmosfera a volume constante (exaustão) assim
completando um ciclo.
No ciclo Diesel não há a necessidade da velas para produzir a ignição. O óleo Diesel é
injetado na câmara de combustão somente no final da compressão quando a
temperatura é suficientemente alta para queimar o combustível, sem a necessidade da
centelha elétrica. Essa é a principal diferença entre o motor Diesel e o motor a
gasolina. Para o ciclo Diesel, a taxa de compressão varia de 15 a 20 enquanto para o
ciclo Otto a taxa de compressão é da ordem de 8 para um motor moderno.
20

21. Como o ciclo Diesel opera de modo similar ao ciclo Otto, as expressões matemáticas
que o definem são bastante semelhantes. Considerando o calor específico constante
para uma unidade de massa, teremos:
Calor adicionado: QA = h3 – h2 = ∫ cp dT = cp (T3 – T2)
Calor rejeitado: QR = u1 – u4 = ∫ cv dT = – cv (T1 – T4) = cv (T4 – T1)
Trabalho líquido W = ΣQ = cp(T3 – T2) – cv(T4 – T1)
η = = − [k constante]
η [k constante]
21
( )
T T
4 1
( ) ( )
3 2 c T −
T
1 4 1 1
D −
3 2
k T T
v
c T T
W
Q
p
A
−
= −
−
Essa expressão pode ser convertida a uma forma mais conveniente sem as
temperaturas, ou seja

k
c
−
1 1 1 1
= − − 1
( )


−
D k r
c
k
k
r
r
3.2
Ciclos Alternativos
Outros ciclos de potência menos usuais apresentam um grau de sofisticação o
suficiente para serem adotados. Na prática, porém, ainda não foram implementados
em grande número. São os seguintes:
ƒ Ciclo CRO;
ƒ Ciclo Kalina;
ƒ Ciclo Cheng.

22. 22
3.2.1
CRO (Ciclo Rankine Orgânico)
É basicamente o mesmo ciclo empregado para as turbinas a vapor ou seja, o ciclo
Rankine. A diferença é que, em vez da água como fluído de trabalho, utilizam-se
compostos orgânicos como os hidrocarbonetos isopentano, iso-octano, tolueno ou
fluido de silicone ou amônia. Os gases refrigeradores como os CFC´s ou freon também
possuem excelentes características térmicas, que os tornam aptos para serem
utilizados no CRO. Mas sua ação danosa à camada de ozônio faz com que o uso
desses agentes de refrigeração fique proibitivo.
O ciclo Rankine convencional que utiliza água e vapor como fluído de trabalho
apresenta a desvantagem da necessidade de superaquecer o vapor, caso contrário, o
teor de umidade após a expansão do vapor dentro da turbina provocaria a erosão das
palhetas. Substâncias orgânicas, que evaporam a temperaturas mais baixas do que a
água e que podem ser utilizadas para temperaturas inferiores a 400º C, não precisam
ser superaquecidas. O CRO pode valer-se então de calores residuais de baixa
temperatura (pode chegar a 70º - 80º C) para gerar eletricidade, e o ciclo pode ser
melhor adaptado para combustíveis como a biomassa que possuem baixas
temperaturas de combustão. Se adotado o ciclo Rankine convencional nessa faixa de
temperatura, o custo-benefício seria totalmente inaceitável, devido aos enormes
volumes de vapor de baixa pressão que seriam necessários, acarretando, deste modo,
uma usina desproporcional.
A eficiência de um CRO é estimada entre 10 e 20%, dependendo dos níveis de
temperatura adotados. Em muitas instalações produtivas onde não há utilização
prática de uma grande quantidade de calor residual de baixa temperatura (na faixa de
70 a 400º C) o CRO passa a ser a tecnologia mais adequada para a recuperação do
calor residual e o seu posterior aproveitamento para a geração de energia.
CRO´s para máquinas de pequeno porte têm operado comercialmente ou como
plantas piloto, nas duas últimas décadas. Estima-se que já foram construídas 30
usinas de CRO até 1984.

23. Os custos de investimento ainda são altos (aprox. € 2.300/kWel ) e por este motivo a
tecnologia do CRO ainda não é considerado muito atraente. Entretanto, existem
planos, em alguns paises desenvolvidos, para a sua implementação, como no caso da
usina a ser construída no complexo da Hydro Agri na Holanda, que produzirá energia
elétrica a partir da recuperação de calor residual a 190º C, utilizando o isopentano
como fluído de trabalho. Esta usina de CRO terá uma capacidade instalada de 2,6
MWe..
Uma aplicação bastante promissora do CRO reside na geração de energia elétrica a
partir do aproveitamento do calor residual de estações de compressão de gás natural.
Um estudo realizado nos Estados Unidos revelou que a recuperação do calor residual
de todas as estações de compressão associadas aos gasodutos norte americanos
possibilitará a geração de, pelo menos, 1.000 MW de energia elétrica. Praticamente
todas essas estações utilizam turbinas a gás como acionadores dos compressores, as
quais operam em ciclo simples e perdem 65 a 75% da energia primária (contida no
combustível), dependendo da eficiência das turbinas.
3.2.2
Ciclo Kalina
O ciclo Kalina é um ciclo Rankine modificado. No lugar da substância pura água,
adotada como fluído de trabalho no ciclo rankine convencional, que ferve a uma
temperatura constante, utiliza-se uma mistura amônia/água, que ferve a uma
temperatura variável. A ebulição a uma temperatura variável permite ao fluído de
trabalho manter uma temperatura mais próxima daquela dos gases de combustão na
caldeira, melhorando assim a eficiência. Alterando a concentração de amônia na
mistura em circulação em vários pontos do ciclo, possibilita-se a otimização da
pressão de condensação do vapor exaurido da turbina, assim como a pressão de
superaquecimento do vapor vivo introduzido na turbina, aumentando a queda entálpica
e, por conseguinte, a eficiência térmica (tipicamente consegue-se de 5 a 15% de
incremento desse rendimento).
23

24. O ciclo Kalina, proposto pelo russo Alexander Kalina em 1984 , segue os mesmos
princípios do ciclo Rankine convencional, mas necessita de algumas modificações de
configuração para a consecução dos objetivos funcionais do ciclo. O seguinte exemplo
mostra a configuração mais simples que é possível adotar no caso do ciclo Kalina.
Nota-se que, no que se refere à parte de recuperação de calor dos gases de
combustão, o ciclo Kalina apresenta o mesmo arranjo básico do ciclo Rankine,
enquanto no caso do subsistema associado ao processo de condensação os dois
ciclos divergem. O subsistema pertencente ao ciclo Kalina requer equipamentos
adicionais para permitir a variação da concentração de amônia através de um
processo de separação amônia/água, promovido pela recuperação eficiente da energia
interna do ciclo.
O fluído de trabalho (mistura com alta concentração de amônia) é evaporado e
superaquecido na caldeira de recuperação de calor antes da admissão na turbina e da
expansão subseqüente. Um reaquecedor recupera a energia térmica do vapor de
escape da turbina e transfere parte dela para induzir o processo de separação, num
equipamento denominado “separador”. O separador gera dois fluxos de líquido: um
com baixa concentração de amônia e outro rico em amônia. O fluxo com baixa
concentração de amônia é desviado para juntar-se com o fluído de trabalho advindo da
turbina antes de condensação no condensador de baixa pressão. Uma bomba eleva a
pressão do condensado extraído do condensador, e o fluxo é novamente dividido: um
é conduzido ao separador via o reaquecedor e o outro é mesclado com o vapor rico
em amônia para restaurar a concentração de amônia do fluído de trabalho. A mistura
bifásica é encaminhada a um condensador de alta pressão e o condensado resultante
é bombeado para a alimentação da caldeira de recuperação.
O ciclo Kalina apresenta um desempenho termodinâmico melhor que o ciclo Rankine.
A melhor configuração do ciclo Kalina gera aproximadamente 16 a 30% mais energia
que um ciclo Rankine convencional. O custo de investimento para uma usina com ciclo
Kalina é maior (em torno de 20%), se comparado a uma usina projetada para operar
com o ciclo Rankine.
Em 1992, uma planta de demonstração do ciclo Kalina iniciou a operação no Centro de
Engenharia de Tecnologia de Energia do Departamento de Energia dos Estados
Unidos. A planta gerava 3 MWe utilizando calor residual a 540º C. Em 2000, uma
planta geotérmica projetado para funcionar com o ciclo Kalina iniciou operação
comercial em Húsavík, Islândia. Produzia 1,6 MWe utilizando vapor geotérmico com
temperatura de 121º C. Há também uma planta na siderúrgica de Sumitomo, no
Japão, que gera 3,1 MWe a partir de efluentes de água de resfriamento, com
temperatura de 98º C.
24

25. 25
3.2.3
Ciclo Cheng ou STIG
Mais conhecido com o nome STIG (Steam Injected Gás Turbine), o ciclo Cheng é nada
mais do que uma variante do ciclo de Brayton, ou seja: uma modificação do ciclo
simples de turbina a gás. Nesse ciclo, uma parte do vapor produzido na caldeira de
recuperação é injetada na câmara de combustão para aumentar a potência e a
eficiência da turbina. O ganho de eficiência que a turbina apresenta com a utilização
do ciclo Cheng é devido principalmente ao aumento do fluxo de massa proporcionado
pela injeção de vapor. A injeção de vapor também proporciona uma redução
considerável de emissões de óxidos de nitrogênio (NOX).
O ciclo foi desenvolvido pelo Dr. Dah Yu Cheng, professor da Universidade de Santa
Clara, Estado da Califórnia, nos Estados Unidos. As primeiras unidades de geração
foram instalados em 1984 pela International Power Technology, Inc, empresa que o
Dr. Cheng fundou, sendo duas na fábrica da Sunkist Growers, Inc. em California e
outra, a primeira a operar comercialmente, na Universidade do Estado de Califórnia
em São José, Califórnia.
Por razões óbvias, o ciclo Cheng requer o uso de um vapor extremamente limpo,
exigindo, para tanto, um tratamento especial da água de alimentação da caldeira de
recuperação. Os processos de tratamento de água normalmente adotados são:
megafiltração, osmose reversa, ultrafiltração e polimento por desmineralização.
Uma variante desse ciclo é denominada ISTIG (Intercooled Steam Injected Gás
Turbine). No caso do ISTIG um resfriador intermediário é instalado entre estágios do
compressor de ar. Isto possibilita a operação da turbina a gás a uma temperatura
muito mais elevada, devido ao melhoramento do resfriamento das palhetas da turbina
por meio do ar extraído do compressor. Essa modificação aumenta ainda mais a
potência e a capacidade de geração de energia elétrica da turbina a gás.

26. 3.3
Ciclos e Processos Inovativos
Nesta categoria pertencem os ciclos e processos que ainda não são maduros o
suficiente a serem aplicados na prática. A maior parte desses ciclos e processos ainda
se encontram na fase de desenvolvimento ou que ainda não foram adequadamente
testados. Incluem:
ƒ Ciclo Ericsson;
ƒ Ciclo Stirling;
ƒ Células a combustível;
ƒ Motor a vapor do tipo parafuso;
ƒ Ciclo de turbina a ar quente;
ƒ Ciclo de turbina a gás inverso.
3.2.1
Ciclo Ericsson
O ciclo Ericsson é um outro ciclo originalmente concebido como sendo reversível,
destinado para utilização em motores de calor do tipo combustão externa e tendo o ar
como fluído de trabalho. O ciclo incorpora um aspecto que o diferencia dos outros -
usa um regenerador, uma câmara na qual energia pode ser transferida do fluído de
trabalho e posteriormente armazenada.
O ciclo, proposto pelo inventor sueco John Ericsson, consiste de quatro processos
internamente reversíveis:
26

27. ƒ Processo 1-2: Expansão isotérmica: adicionamento de calor da fonte externa ao
27
fluído de trabalho;
ƒ Processo 2-3: Regeneração a pressão constante (armazenamento de energia
térmica): transferência interna de calor do fluído de trabalho para o
regenerador;
ƒ Processo 3-4: Compressão isotérmica: rejeição de calor ao reservatório frio;
ƒ Processo 4-1: Regeneração a pressão constante (retirada de energia térmica
armazenada): transferência interna de calor do regenerador de
volta para o fluído de trabalho.
No ciclo Ericsson ideal, a utilização de um regenerador cuja eficiência é de 100%
permite que todo o calor armazenado no regenerador durante o processo 2-3 seja
transferido ao fluído de trabalho no processo 4-1. Similarmente, todo o calor
adicionado externamente seria acrescido ao fluido de trabalho no processo isotérmico
1-2, e todo o calor rejeitado para o meio ocorreria no processo isotérmico 1-2. Daí,
pode se concluir que a eficiência térmica do ciclo de Stirling é obtida pela mesma
expressão da eficiência térmica do ciclo de Carnot.
Se a fonte de calor e o reservatório frio estiverem às temperaturas TA e
TB,respectivamente, e todos os processos forem reversíveis, teremos:
Calor adicionado:
Q mRT V A =
2
1
1 ln
V
Calor rejeitado:
Q mRT V R B =
ln 4
V
3

28. 28
T T mR V A B −
Trabalho líquido W = ΣQ = ( )
ln 2
V
1
( )
B
W T T
= −
E T
A
A B
A
A
T
T
Q
−
η = = 1 (Igual a do ciclo Carnot)
O ciclo Ericsson, apesar de ser uma invenção do século XVIII, não atraiu maior
interesse.
3.2.2
Ciclo Stirling
O ciclo Stirling é um ciclo regenerativo (usa regeneração) similar ao ciclo Ericsson. O
ciclo foi originalmente proposto em 1816 pelo escocês e pastor protestante Reverend
Robert Stirling. O ciclo Stirling consiste de quatro processos internamente reversíveis:
ƒ Processo 1-2: Expansão isotérmica: adicionamento de calor da fonte externa ao
fluído de trabalho;
ƒ Processo 2-3: Regeneração a volume constante (armazenamento de energia
térmica): transferência interna de calor do fluído de trabalho para o
regenerador;
ƒ Processo 3-4: Compressão isotérmica: rejeição de calor ao reservatório frio;
ƒ Processo 4-1: Regeneração a volume constante (retirada de energia térmica
armazenada): transferência interna de calor do regenerador de
volta para o fluído de trabalho.

29. Como no caso do ciclo Ericsson ideal a utilização de um regenerador cuja eficiência é
de 100% permite que todo o calor armazenado no regenerador durante o processo 2-3
seja transferido ao fluído de trabalho no processo 4-1. Similarmente, todo o calor
adicionado externamente é acrescido ao fluído de trabalho no processo isotérmico 1-2
e todo calor rejeitado para o meio ocorre no processo isotérmico 1-2 . Daí, pode ser
concluído que a eficiência térmica do ciclo de Stirling é fornecido pela mesma
expressão da eficiência térmica do ciclo de Carnot.
Se a fonte de calor e o reservatório frio estiverem às temperaturas TA e TB
respectivamente e todos os processos forem reversíveis teremos:
Para um processo isotérmico constante de um gás ideal:
Q = W = pV ln(V2/V1) = mRT1 ln (V2/V1)
mRT V A B
mRT V
ln 2 ln
η = 1 (Igual a do ciclo Carnot)
29
Calor adicionado:
Q mRT V A A =
ln 2
V
1
Calor rejeitado:
Q mRT V R B =
ln 3
V
4



Trabalho líquido Σ = = Q W  
 
−  
  
3
4
1
V
V
Mas V2 = V3 e V1 = V4
Assim V2/V1 = V3/V4 e
B
T −
T = −
S T
A
A B
A
T
T
O ciclo de Stirling, assim como o de Ericsson, é de interesse teórico de ciclos que
possuem a mesma eficiência térmica do ciclo de Carnot. Entretanto, um motor prático
do tipo cilindro-pistão que opera em um ciclo regenerativo fechado possuindo aspectos

30. em comum com o ciclo de Stirling, vem sendo estudado recentemente. Este motor é
conhecido como Motor Stirling. O motor Stirling oferece a oportunidade de uma alta
eficiência, além de uma emissão reduzida de poluentes, porque a combustão atua
externamente e não dentro do cilindro, como acontece nos motores de combustão
interna. No motor Stirling, a energia é transferida para o fluído de trabalho por produtos
da combustão, os quais são mantidos separadamente.
3.2.3
Células a Combustível
Entre os processos inovativos que surgiram nos últimos tempos, as células a
combustível tornou-se a vedete e há uma proliferação de literatura técnica sobre este
assunto. E só fazer a busca na Internet. Há boas razões para isso. As células a
combustível conseguem um melhor aproveitamento de energia primária (combustível)
e alcançam eficiências sensivelmente altas, mesmo em baixas temperaturas. Na
prática, obtêm-se eficiências de 55% a 60%. Deve-se, porém, salientar que usinas
modernas em ciclo combinado, queimando gás natural e instalações convencionais
modernas, com turbinas a gás otimizadas, também já atingem valores de eficiência de
55%. Portanto, esse indicador, isoladamente, não é a principal vantagem de sistemas
de geração de energia com células a combustível, mas sim a vantagem proporcionada
em termos ecológicos, além de serem dispositivos compactos, silenciosos, e de fácil
manutenção.
Atualmente, projeta-se um mercado atraente para sistemas de células a combustível
visando a geração de energia, com aplicações em geração distribuída de pequena
porte como, por exemplo, em condomínios residenciais, repartições públicas e
hospitais.
Células a combustível são dispositivos eletroquímicos, normalmente no formato de
bateria ou pilha, os quais convertem energia química diretamente em energia elétrica e
térmica através da reação do hidrogênio com o oxigênio. O princípio físico das células
a combustível foi descoberto em 1839 por Sir William Robert Grove.
Para promover a reação, a célula precisa ser alimentada continuamente por um
combustível como o hidrocarboneto. O hidrogênio, efetivamente utilizado, pode ser
obtido a partir de:
ƒ Eletrólise da água;
ƒ Produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis;
ƒ Reforma (?) de gás natural, etanol, e gás liquefeito de petróleo para produção de
hidrogênio;
ƒ Outros métodos para produção de hidrogênio.
O oxigênio, o outro elemento necessário para promover a reação, é retirado do ar.
A conversão ocorre por meio de duas reações químicas parciais em dois eletrodos
separados por um eletrólito apropriado: a oxidação de um combustível no ânodo e a
redução de um oxidante no cátodo, indicadas nas seguintes reações básicas:
30

31. ƒ Ânodo: H2 → 2H+ + 2e
ƒ Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O
ƒ Total: H2 + ½ O2 → H2O
Utilizando, portanto, o hidrogênio como combustível e o oxigênio como oxidante,
obtém-se na denominada célula ácida a formação de água e a geração de calor, além
da liberação de elétrons livres, que podem gerar trabalho elétrico. Um esquema
simplificado de uma célula a combustível ácida é apresentado na figura a seguir:
Na reação anódica, prótons são produzidos e posteriormente conduzidos pelo eletrólito
até o cátodo, onde se ligam aos ânions de O2-, assim formando água.
A eficiência máxima atingível pelas células a combustível é função do quociente entre
a energia livre de reação ΔEL e a entalpia da reação ΔHR e não limitada pelo ciclo de
Carnot como no caso dos ciclos de potência que nós vimos anteriormente.
ηCC = EL / ΔHR
As vantagens das células a combustível aumentam quando se tem por finalidade a
geração de energia móvel, caso das células de baixa temperatura, onde a sua
eficiência fica bem acima da dos motores convencionais. A aplicação deste tipo de CC
é, então, a tração automotiva. Todas as montadoras de veículos estão desenvolvendo
projetos nessa área e as que mais têm se destacado são: Ford, Daimler-Chrysler, GM,
BMW, Honda, Daihatsu, Nissan e Toyota.
A célula a combustível consiste basicamente de elementos empilhados, conhecidos
como sanduíches, compostos de materiais distintos que constituem os eletrodos e o
eletrólito.
31

32. 3.2.4
Motor a Vapor do Tipo Parafuso
O ciclo associado referente ao motor a vapor do tipo parafuso é extremamente
simples. Para a realização do processo de expansão do fluído de trabalho, em vez de
uma turbina ou de um motor a vapor convencional, utiiliza-se um motor a vapor do tipo
parafuso, o qual é composto de dois rotores espirais, entrelaçados entre si,
ocasionando a execução do trabalho, que se reflete no movimento giratório desses
rotores.
O vapor exaurido do motor é conduzido até um condensador, e o calor rejeitado pode
ser aproveitado para o processo fabril ou para o aquecimento distrital (aplicação
Européia). Com o auxílio de uma bomba de água de alimentação, o condensado é
reintroduzido na caldeira, fechando assim o ciclo térmico.
Uma planta de demonstração de uma unidade de cogeraçãobaseada no ciclo de motor
a vapor do tipo parafuso, foi instalada na Usina de Aquecimento Distrital de Hartberg,
na Áustria, que é constituída de duas máquinas, com capacidades de 710 kWe e 4,8
MWt, respectivamente.
32
Motor a Vapor Tipo Parafuso -
Corte Transversal
1 - Entrada de vapor vivo
2 - Saída de vapor de escape
3 - Rotor
4 - Vedação de eixo
5 - Rodas de engrenagem de
sincronização,
6 - Mancal de rolamento,
7 - Eixo

33. Diagrama Simplificado de Processo da Unidade de Cogeração Utilizando Motor a
Vapor do Tipo Parafuso, Instalada na Usina de Aquecimento Distrital de Hartberg
3.2.5
Ciclo de Turbina a Ar Quente
Também conhecido como Ciclo de Turbina a Gás Indireto, esse ciclo difere do ciclo
convencional de turbina a gás porque o ar quente, em vez dos gases de combustão, é
expandido dentro da turbina.
33

34. O ar é aquecido por meio de um trocador de calor de alta temperatura, que recebe os
gases de combustão provenientes de uma caldeira. Após a expansão dentro da
turbina, o ar é conduzido a um pré-aquecedor, com o intuito de se aproveitar o calor
residual de exaustão para o preaquecimento do ar comburente.
Os gases de combustão, após passar pelo pré-aquecedor, também contêm calor
disponível para o reaproveitamento. Esse calor pode gerar vapor para utilização no
processo fabril ou para a injeção na turbina, com vistas ao aumento de potência.
3.2.6
Ciclo de Turbina a Gás Inverso
No ciclo convencional de turbina a gás, o ar é comprimido, o combustível é introduzido
na câmara de combustão e, subseqüentemente, queimado. Os gases de exaustão, de
pressão elevada, são expandidos dentro da turbina até a atingir praticamente a
pressão atmosférica. No caso do ciclo de turbina a gás inverso, a combustão dá-se à
pressão atmosférica, sendo os gases oriundos da combustão expandidos na turbina
até uma pressão inferior à atmosférica. Posteriormente, os gases são novamente
comprimidos. A vantagem desse ciclo reside na realização do processo de combustão
à pressão atmosférica evitando assim a implantação de um sistema sofisticado e caro
para a alimentação de combustível, em caso de queima de biomassa.
O calor contido nos gases de exaustão da turbina pode ser aproveitado, no processo
fabril, para produção de vapor ou água quente. Os gases de exaustão se aquecem
durante o processo de compressão e o calor pode ser utilizado para o preaquecimento
do ar comburente, antes da sua admissão na câmara de combustão.
Para aumentar a potência e a eficiência da turbina, pode-se também pensar em
injeção de vapor, gerado a partir do calor contido nos gases de exaustão da turbina.
Uma outra opção seria a de se trabalhar em ciclo combinado, com a incorporação de
uma turbina a vapor.
34

35. 4
COGERAÇÃO DE ENERGIA
4.1
Introdução
A cogeração foi definida como a produção seqüencial de duas formas de energia
(normalmente elétrica e térmica), através de uma única fonte energética. É importante
frisar, nessa definição, não somente o propósito de produzir simultaneamente energia
elétrica ou mecânica e energia térmica, mas particularmente o fato de se conseguir
essa produção conjunta de dois tipos de energia a partir da queima de um único
combustível. O trabalho obtido num sistema de cogeração pode ser utilizado em um
alternador, para a produção de eletricidade, ou diretamente em equipamentos
mecânicos e termomecânicos, como força motriz; enquanto que o calor resultante
servirá ao processo produtivo para diversas finalidades, tais como: aquecimento,
secagem etc. Portanto, fica claro que a cogeração proporciona, em si, uma maior
racionalização no uso dos energéticos e, geralmente, maiores rendimentos globais nos
processos industriais. É, pois, uma tecnologia amplamente utilizada na atividade
produtiva desde o início do século passado, como meio econômico para satisfazer as
necessidades energéticas de muitas instalações industriais, em todo o mundo.
Na indústria, o vapor raramente é usado exclusivamente para a produção de energia
elétrica. O que normalmente ocorre é que o vapor disponível no processo produtivo
freqüentemente pode ser aproveitado para gerar uma parcela da energia elétrica
consumida no complexo fabril. Isto significa que as necessidades energéticas do
processo de produção definem a configuração e a capacidade das unidades de
cogeração.
O sistema de cogeração instalado num complexo industrial, freqüentemente, substitui
o método tradicional de se adquirir eletricidade da concessionária local e de se gerar o
calor ou vapor através da queima do óleo combustível ou do gás natural. Apesar da
sua conveniência, este método é bastante ineficiente, desperdiçando mais de dois
terços da energia contida no combustível primário, devido às perdas de produção e de
transmissão. Usinas de cogeração produzem eletricidade de modo muito mais
eficiente do que as centrais termelétricas convencionais. A eficiência global de
instalações modernas de cogeração situa-se na faixa de 70% a 90%, comparada aos
35% a 40% para a geração convencional de eletricidade em centrais termelétricas de
grande porte.
35

36. Tipos Básicos de Cogeração
Existem dois tipos básicos de tecnologia de cogeração, dependendo do que é
produzido em primeiro lugar, se calor ou trabalho, ou seja: ciclos topping e bottoming.
No ciclo topping, a energia elétrica ou mecânica é gerada num primeiro momento, e a
energia térmica rejeitada na geração de eletricidade é aproveitada no processo
industrial. No ciclo bottoming, o combustível é queimado para gerar energia térmica
destinada ao processo fabril. O calor residual normalmente remanescente dos gases
de exaustão do processo, é aproveitado para a produção de eletricidade. Esse sistema
permite se trabalhar com maiores pressões e temperaturas do vapor e,
conseqüentemente, se obter maiores rendimentos e trabalho útil. As instalações com
ciclo bottoming são muito menos comum do que as que utilizam o ciclo topping, sendo
adotadas mais em indústrias pesadas tais como as indústrias de vidro, cerâmica e de
manufatura de metais, onde são usados fornos de alta temperatura. Normalmente,
outras aplicações industriais geram calor residual de qualidade baixa (temperatura e
disponibilidade baixas) e podem produzir eletricidade somente com eficiências baixas.
Nesses casos, a eficiência de cogeração é inferior à eficiência global para geração
separada de energia elétrica e de energia térmica. Portanto o ciclo bottoming oferece
pouco valor termodinâmico ou mesmo econômico, e somente o ciclo topping pode
proporcionar economias reais na utilização da energia primária.
As alternativas básicas para a cogeração industrial são: com turbina a vapor, com
turbina a gás, com ciclo combinado (turbinas a gás e a vapor em operação conjugada)
e com motores de combustão interna. Do ponto de vista técnico, a opção por qualquer
uma dessas alternativas depende intrinsecamente da proporção calor/eletricidade
desejada.
Componentes Básicos de Uma Planta de Cogeração
Independentemente da tecnologia de cogeração adotada a planta de cogeração
consiste de quatro elementos básicos:
ƒ Uma máquina térmica para realizar o trabalho útil ou fornecer a força motriz;
ƒ Um gerador elétrico ou um equipamento mecânico a ser acionado;
ƒ Um sistema de recuperação de calor;
ƒ Um sistema de controle.
Eficiência de Cogeração
Do ponto de vista de recurso energético, quando comparada à geração separada de
eletricidade e de calor, a cogeração é vantajosa somente se conseguir proporcionar
economia em termos de energia primária. A eficiência de cogeração é dada pela
seguinte expressão:
36
E + ΔH
A
V
η =
CO Q
onde E = energia elétrica gerada
ΔHV = energia térmica ou calor no vapor de processo

37. = entalpia do vapor entrando o processo  entalpia do vapor saindo do
processo
QA = calor adicionado à planta de cogeração proveniente do combustível
Para a geração separada de eletricidade e de vapor, o calor adicionado por unidade de
energia total produzido é
37
e + 1
−
e
η η
e GV
onde e = fração elétrica da energia total produzida =
E
+ Δ
V E H
A eficiência global ηGS para geração separada é portanto dada pela seguinte
expressão:
1
+ −
( ) [( ) ] e GV
η
GS e / η 1 e /
η
=
É a cogeração é vantajosa se ηCO > ηGS
Parâmetros Técnicos para Avaliação e Comparação de Alternativas de Ciclos de
Cogeração
Neste ponto, seria conveniente se introduzir três conceitos básicos muito úteis para a
avaliação e a comparação das opções tecnológicas de cogeração, a saber:
ƒ Razão Calor/Eletricidade (Heat to Power Ratio): Relação entre a energia térmica e a
energia elétrica exigidas pela instalação consumidora.
ƒ Calor Líquido para Processo (NHP – Net Heat to Process): A energia líquida
fornecida pelo sistema de cogeração ao processo fabril ou industrial.
ƒ Combustível Atribuível ou Correlacionado à Eletricidade (FCP – Fuel Chargeable to
Power) – É aquele destinado ao sistema de cogeração, referente às necessidades
energéticas de um sistema que produz apenas energia térmica, dividido pelo energia
elétrica líquida produzida pelo sistema de cogeração. Em outras palavras, o
combustível incremental dividido pela eletricidade incremental. No caso de uma
planta de cogeração que gera apenas energia elétrica, o Combustível Atribuível à
Eletricidade é equivalente ao Heat Rate Líquido ou Consumo Específico de Calor da
planta. O Heat Rate nada mais é do que o recíproco de eficiência, ou seja:
Heat Rate
= (kcal/kWh)
/100
860
Eficiência

38. 38
4.2
Cogeração com Turbinas a Vapor
A configuração com a utilização de turbinas a vapor é a tecnologia de cogeração mais
comum no Brasil. Na atividade industrial em que o maior consumo prevalece sobre o
consumo de energia elétrica (alta Razão Calor/Eletricidade), normalmente adota-se
uma turbina a vapor de contrapressão. No arranjo mais comum deste sistema, o
combustível é queimado numa caldeira, produzindo-se vapor de alta ou de média
pressão, o qual é expandido numa turbina de contrapressão para gerar eletricidade. O
vapor de baixa pressão extraído do escape da turbina é desviado para uma rede de
consumidores do processo industrial.

39. Evidentemente, do ponto de vista da geração de energia elétrica, essa opção não é
muito interessante, pois se caracteriza por uma baixa relação eletricidade/vapor (6 a
30%), visto que apenas 10% a 15% da energia disponível no combustível é convertida
em eletricidade. Porém, 65% a 75% dessa energia pode ser aproveitada em vapor de
processo.
Os componentes principais de uma planta de cogeração com turbina a vapor de
contrapressão são: a caldeira com superaquecedor, a turbina a vapor, um tanque para
recolhimento de condensado, um desaerador e uma bomba de água de alimentação.
Normalmente, por motivos inerentes ao processo, a pressão e a temperatura do vapor
de escape da turbina devem ser mantidos constantes. Assim, quando a necessidade
de vapor para o processo diminuir, a vazão do vapor passando pela turbina é reduzida
e, por conseguinte, a potência gerada também é menor. A parcela de energia elétrica
faltante deverá ser suprida pela concessionária local. Neste caso, a manutenção da
freqüência deve ser assegurada pela rede da concessionária. Se o fornecimento de
energia elétrica for interrompida, é preciso mudar a regulação da turbina para controle
de rotação, de modo a evitar o colapso do fornecimento de vapor e de energia elétrica
para a unidade industrial. Uma estação de redução de pressão equipada com válvula
reguladora de pressão deve manter o valor de contrapressão e o sistema de controle
de rotação deve garantir a constância da freqüência, valendo-se de um processo
seletivo de desligamento das cargas não prioritárias da unidade industrial, para se
evitar a sobrecarga dos geradores elétricos.
No caso de aplicações industriais em que os consumidores exijam vapor em níveis
diferentes de pressão, turbinas de contrapressão com extração intermediária são
utilizadas para permitir a alimentação de uma segunda rede de consumidores com
vapor a uma pressão superior `a contrapressão da turbina. A extração pode ser uma
simples sangria ou pode ser do tipo controlado. Turbinas com sangria são utilizadas
quando o volume do vapor de extração (normalmente de média pressão) é menor que
o volume de vapor de exaustão de baixa pressão. Turbinas com extração controlada
são utilizadas quando o fluxo de vapor de extração (de média pressão) é relativamente
alto comparado com o fluxo de vapor de exaustão de baixa pressão e a demanda de
vapor de média pressão está sujeita a flutuações consideráveis. A pressão do vapor
de extração neste caso permanece constante em todas as regimes operacionais da
turbinas. Nesse arranjo normalmente prevem-se duas estações de redução de pressão
para permitir o desvio (bypass) da turbina referente aos dois níveis de pressão
envolvidos.
39

40. Quando existe a necessidade de mais energia elétrica do que se poderia autogerar
com o vapor de processo utilizando apenas turbinas de contrapressão, pode ser
adotada uma das seguintes soluções, sendo a escolha uma função da razão
calor/eletricidade exigida pela atividade industrial ou dos perfis de demanda de energia
térmica e de energia elétrica, e da disponibilidade de combustível na industria
envolvida, a saber:
ƒ No caso em que há excedente de combustível, pode ser instalada uma turbina de
condensação plena a ser alimentada pela caldeira existente comum à planta (caso
se disponha de margem de capacidade) ou por uma caldeira adicional. O
condensador que representa o reservatório frio do ciclo termodinâmico recebe e
condensa o vapor de exaustão da turbina a pressões baixíssimas (tipicamente 0,10
a 0,15 ata).
ƒ Se a industria não dispõe de combustível excedente, pode ser instalada uma turbina
de condensação dotada de extrações controladas. Essa turbina possui extrações de
vapor com pressão regulada normalmente em dois níveis diferentes e uma seção de
condensação. A combinação pode proporcionar flexibilidade tal que permite a
produção exclusiva de eletricidade caso não haja consumo de vapor, ou maior
consumo de vapor proveniente das extrações com menor produção de energia
elétrica.
40
ƒ

41. Esse tipo de cogeração permite a utilização de uma multiplicidade de combustíveis,
uma grande parte dos quais são menos nobres e portanto mais baratos tais como
carvão, lenha e resíduos industriais como licor negro e bagaço de cana. Este item é de
sumo importância, pois freqüentemente torna viável economicamente o
empreendimento.
No Brasil, os projetos de plantas ou usinas de cogeração com turbinas a vapor podem
ser atendidos pelos projetistas e fabricantes nacionais no que se refere à elaboração
de projeto básico e detalhado assim como ao fornecimento dos equipamentos
eletromecânicos.
4.3
Cogeração com Turbinas a Gás
160 ºC
Nos últimos anos a turbina a gás tem se tornado á principal máquina motriz para
cogeração em grande escala , tipicamente gerando 1 a 120 MWe. O arranjo com
turbina a gás constitui uma alternativa bem interessante, pois é relativamente fácil de
ser instalado e requer um espaço sensivelmente menor do que uma planta com turbina
a vapor. Isso aliado ao seu menor custo de investimento e a alta confiabilidade das
máquinas modernas, faz da turbina a gás uma opção bastante atraente.
As turbinas a gás são equipamentos compostos basicamente por um compressor de
ar, uma câmara de combustão e a turbina propriamente dita. O processo exotérmico
resultante da reação entre o combustível e o ar comburente que sucede dentro da
câmara de combustão gera gases quentes que ao se expandirem na turbina provocam
o movimento giratório do rotor que resulta em trabalho útil no eixo.
41
G
Combustível
16.7 MW
C T
HRS
G
Ar
4700 kW
Água
120 ºC
12.55 t/h (1.76 kW)
Queima Suplementar
Combustível: 200 kW
Escapamento
18.8 kg/s
545 ºC
Vapor
56 bar/271 ºC
1.05 t/h,
(0.81 kW)
Água: 70 ºC
11.5 t/h,
(0.94 MW)

42. O eixo da turbina aciona o compressor e está normalmente acoplado a um
equipamento acionado tais como alternador, bomba, moenda, ventilador etc. a fim de
atender as mais variadas necessidades do processo.
Os gases de exaustão da turbina que atingem temperaturas de até 750º C, podem ser
aproveitados para a geração de vapor através de uma caldeira de recuperação de
calor ou para outras finalidades da atividade industrial tais como aquecimento,
secagem, condicionamento ambiental, etc.
Geralmente apenas 30 a 35% da energia de combustível é convertida em energia
elétrica, mas grande parte da energia térmica dos gases de exaustão da turbina é
aproveitada na caldeira de recuperação de calor. Nesse caso, a eficiência global pode
atingir facilmente os 85% ou até 90%. Isso representa, atualmente, a conversão de
energia química do combustível com melhor rendimento.
Além da cogeração no setor industrial, uma aplicação da turbina a gás que possui um
grande potencial é em instalações do setor terciário tais como hotéis, hospitais,
shopping centers, edifícios comerciais, hipermercados. etc. Nesses estabelecimentos,
a geração de energia elétrica destina-se à iluminação e acionamentos mecânicos
enquanto que a energia térmica pode ser aproveita para aquecimento ou
condicionamento ambiental, através de sistemas de refrigeração por absorção.
Existem dois tipos básicos de turbinas a gás: o tipo industrial ou heavy duty e o
aeroderivado. Detalhes a respeito dessas turbinas serão apresentados na palestra a
ser realizada hoje à tarde. Esses equipamentos não são fabricados no Brasil e têm
que ser, necessariamente, importados.
A contrapressão no ponto de descarga das turbinas a gás modernas é normalmente
limitada a um valor de 200 mmCA, o suficiente para vencer a resistência no circuito de
gases formado pelos dutos e caldeira de recuperação de calor.
42

43. 43
4.4
Cogeração em Ciclo Combinado
O conceito básico de funcionamento de turbinas a gás em ciclo combinado consiste na
conjugação do ciclo de Brayton com o ciclo Rankine. Em termos práticos, essa
conjugação implica no aproveitamento do calor contido nos gases de exaustão de alta
temperatura provenientes da turbina a gás em uma caldeira de recuperação de calor,
para gerar vapor superaquecido, que por sua vez alimenta uma turbina a vapor, que
realiza trabalho útil no seu eixo, para gerar eletricidade.
Parte da energia térmica contida no vapor encaminhado à turbina pode ser utilizado
para suprir as necessidades do processo produtivo.
A conjugação do uso de turbinas a gás e de turbinas a vapor permite aumentar
sensivelmente a eficiência térmica de uma usina termelétrica. Tais termelétricas,
conhecidas como de ciclo combinado, são de baixo custo e, atualmente, dependendo
da temperatura dos gases de exaustão da turbina na entrada da caldeira são obtidos
rendimentos na faixa de 47 a 56%.
Quando se utiliza o princípio da cogeração no ciclo combinado, isto é: com a extração
de parte do vapor nas seções intermediárias da turbina a vapor para fins industriais,
consegue-se um aproveitamento teórico da energia do combustível de até 93%. Com a
entrada do gás natural na matriz energética brasileira, essa tecnologia tornou-se

44. bastante atraente, não somente por ser uma alternativa mais eficiente e mais
econômica, mas sobretudo por possibilitar a queima de um combustível mais limpo, o
que favorece a preservação ambiental e aumenta a vida útil da máquina motriz.
O ciclo combinado, além de apresentar altas eficiências, proporciona grande
flexibilidade operacional, podendo inclusive se fazer uso de diversos combustíveis.
800 kW
A usina com ciclo combinado consiste basicamente dos seguintes componentes
principais:
ƒ Uma turbina a gás ou mais dependendo da configuração adotada;
ƒ Uma caldeira de recuperação de calor para cada turbina a gás;
ƒ Uma turbina a vapor para cada unidade de cogeração;
ƒ Um condensador;
ƒ Uma bomba de extração de condensado;
ƒ Um desaerador;
44
G
Combustível
21.6 MW
C GT
HRS
G
Ar
6000 kW
Água
120 ºC
12.5 t/h,
(1.75 kW)
Escapamento
36.2 kg/s
456 ºC
100 bar/450 ºC
12.5 t/h (11.26 kW)
Processo por Vapor
12 bar/237 ºC
1.0 t/h (0.81 MW)
Água
70 ºC
11.5 t/h,
(0.94 MW)
ST G
12 bar/237 ºC
6 t/h (4.64 kW)
56 bar/380 ºC
5.5 t/h (4.79 kW)

45. ƒ Uma bomba de água de alimentação.
Tanto as usinas termelétricas dotadas apenas com turbinas a vapor, quanto aquelas
que devem operar em ciclo combinado, o prazo para a construção e instalação é de
aproximadamente 2 anos. Entretanto, os módulos com turbinas a gás podem ser
colocadas antecipadamente em operação, em ciclo aberto, em aproximadamente 1
ano, enquanto é dado prosseguimento à montagem das unidades a vapor. Isto é de
extrema vantagem, por permitir o início da amortização dos investimentos antes da
finalização das obras.
Dependendo do tipo de caldeira de recuperação adotado o ciclo de vapor pode
assumir uma das seguintes configurações:
ƒ Ciclo de vapor de pressão única, sem reaquecimento de vapor e com pré-aquecimento
de água de alimentação – Este ciclo utiliza uma caldeira de
recuperação de calor sem queima suplementar. É a configuração mais simples que
pode ser aplicada para um ciclo combinado sendo utilizada extensivamente devido
ao seu baixo custo. Apesar de não proporcionar uma eficiência muito elevada, é
considerado uma escolha são e econômica quando o combustível não é cara. O
ciclo é utilizado com turbinas a gás que possuem uma temperatura de gases de
exaustão de aproximadamente 538ºC ou menos. A temperatura dos gases na saída
da chaminé é aproximadamente 171º C.
ƒ Ciclo de vapor de pressão múltipla, sem reaquecimento de vapor e com pré-aquecimento
de água de alimentação – Ciclos de pressão dupla ou tripla
alcançam melhores eficiências do que sistemas de pressão única, porém seu custo
instalada é bem mais alto. São a escolha econômica quando o combustível é caro
ou se o regime operacional exige um fator de carga alto. O ciclo se assemelha a um
ciclo de pressão única coma adição de seções de baixa pressão e intermediária. O
melhoramento do desempenho de usinas com ciclos de pressão múltipla decorre da
superfície de troca de calor adicional instalada na CRC. A temperatura dos gases
na saída da caldeira fica na faixa de 93 a 127º C.
ƒ Ciclo de vapor de tripla pressão, com reaquecimento de vapor e com pré-aquecimento
de água de alimentação – A temperatura mais alta dos gases de
exaustão (593º C ou maior) proporciona energia de alta temperatura e torna o ciclo
com reaquecimento praticável.
Para cada aplicação específica, a escolha entre ciclos com pressão única e ciclos com
pressões múltiplas deve ser feita em função de uma avaliação econômica, a qual terá
de considerar o custo instalado da planta, o custo e qualidade do combustível, o
regime operacional e os custos de operação e de manutenção.
Os sistemas podem ser adquiridos com um desaerador integral à CRC que utiliza
energia do evaporador de baixa pressão para realizar a desaeração da água de
alimentação a uma pressão positiva. Neste caso há uma ligeira diminuição da
eficiência térmica.
45

46. Opções como o resfriamento de entrada do compressor, injeção de vapor ou de água
para o aumento de potência, ou a queima suplementar, são melhoramentos
disponíveis, geralmente aplicados a aumento de capacidade em horário de pico.
Conforme um dos fabricantes mais conceituados no mercado internacional de turbinas
a gás e turbinas a vapor, os sistemas em ciclo combinado que atualmente têm maior
procura para aplicação em plantas de cogeração são:
ƒ Ciclo combinado com CRC e turbina a vapor de contrapressão exaurindo ao
processo
Š CRC de pressão única, sem queima suplementar
Š CRC de pressão dupla, sem queima suplementar
Š CRC de pressão única, com queima suplementar
ƒ Ciclo combinado com turbina de extração/condensação
Š CRC de pressão única, sem queima suplementar
Š CRC de pressão dupla, sem queima suplementar
Š CRC de pressão única, com queima suplementar
Experiência Internacional
A experiência internacional com usinas termelétricas operando em ciclo combinado
encontra-se intimamente relacionada com a disponibilidade de um combustível limpo e
adequado para a queima em turbinas a gás.
No Brasil existe ainda pouca experiência no uso do ciclo combinado para a geração
termelétrica, podendo-se citar, entre outros, a UTE Nova Piratininga, composta de 4
unidades com turbinas a gás com 100 mW de capacidade cada, a unidade de geração
da Replan (Refinaria de Paulínia – SP), composta por duas unidades geradoras com
turbinas a gás de 23,5 MW cada e três unidades com turbinas a vapor com 9,4 MW
cada, operando nas condições de 90 kgf/cm² de pressão e 485° C de temperatura;
além de uma unidade de cogeração instalada na COPENE, em Camaçari (BA),
contendo uma turbina de 35 MW e uma caldeira de recuperação de 100 t/h (124 bar,
538o C), a qual possui queima suplementar de combustível. Todavia, baseado na
experiência internacional com o ciclo combinado, pode-se tecer algumas importantes
considerações, a saber:
ƒ O uso da queima suplementar de combustível teve a sua maior incidência nas
primeiras unidades que foram instaladas, motivado pelas baixas temperaturas dos
gases das primeiras turbinas a gás;
ƒ O combustível utilizado na grande maioria das usinas hoje em operação é o gás
natural, seguido pelo óleo leve e pelo óleo pesado, em alguns casos;
ƒ As caldeiras de recuperação com dois níveis de pressão são as mais utilizadas;A
configuração mais comum é aquela que contém duas turbinas a gás conjugadas a
uma turbina a vapor;
46

47. ƒ Na configuração acima, o mais usual é a combinação de uma caldeira de
recuperação de calor com uma turbina a gás.
Apresentam-se a seguir algumas unidades de maior eficiência em operação, nas mais
variadas capacidades, operando com gás natural e cujos critérios de projeto têm
correlação com as configurações que foram estudadas.
Local Início da Operação
47
Comercial
Capacidade
(MW)
Eficiência
(%)
Nigashi Nigata
(Japão) 1985 1090 48,3
Futsu
(Japão) 1988 2000 47,0
Ambarli
(Turquia) 1990 1350 51,4
Roosecote
(Inglaterra) 1991 224 49,1
Rayong
(Tailândia) 1994 310 47,8
Eemshaven
(Holanda) 1996 1675 54,9
Didcot
(Reino Unido) 1997 686 56,2
Rheinhafen
(Alemanha) 1998 360 58
Rocksavage
(Reino Unido) 1998 720 58
Taranaki
(Nova Zelandia) 1998 360 58
Poryong
(Corea do Sul) 1998 2000 59
Tapada Outeiro
(Portugal) 1999 90 55,4
St. Francis
(EUA) 1999 250 58

48. 48
Configuração Convencional
A configuração convencional para a geração termelétrica em ciclo combinado, a mais
usual, é aquela onde são combinados 3 (três) geradores síncronos com potências
equivalentes, sendo 2 deles acionados com turbinas a gás e um com turbina a vapor.
Esta configuração tem como principal vantagem uma maior flexibilidade operacional,
além de permitir, ao longo do tempo, um fator de utilização mais elevado.

49. 49
Configuração Simples
A configuração simples para a geração termelétrica em ciclo combinado é a que
combina uma turbina a gás com uma turbina a vapor, sendo os geradores elétricos
independentes, sincronizados em paralelo num mesmo barramento. Tem a vantagem
de um menor investimento de capital, se comparado à configuração convencional.
Possui, todavia, pouca flexibilidade operacional, além de um fator de utilização, ao
longo do tempo, também menor.

50. 50
Configuração Mono Eixo
Esta configuração apresenta uma turbina a gás para uma turbina a vapor, tendo,
porém, como principal característica, a união dessas duas máquinas a um mesmo
gerador, formando um conjunto rotativo desses equipamentos através de um único
eixo.
Cumpre salientar a ocorrência de estudos consistentes, feitos por empresas de grande
conceito no setor de energia, envolvendo unidades termelétricas operando em ciclo
combinado na configuração compacta, com potências acima de 250 MW. Esses
estudos sintetizam as seguintes principais vantagens para a Configuração Compacta
de geração termelétrica:
a) Baixo custo de investimento, tendo em vista a simplificação dos equipamentos
principais envolvidos, visto este esquema possuir apenas um gerador, uma
caldeira de recuperação e um turbo-compressor a gás; embora com potências e
capacidades bem superiores. O sistema de regulagem e de distribuição de
energia elétrica também seria único, com cubículos e painéis unitários. Observa-se
ainda a não existência de válvulas de desvio e dutos de gases para a
atmosfera;
b) Menor custo de geração, motivado principalmente pela redução dos custos de
operação e manutenção.
Todavia, convém enfatizar as seguintes desvantagens da configuração compacta de
geração termelétrica:

51. a) Pouca ou nenhuma flexibilidade operacional, tendo em vista que uma parada para
a manutenção preventiva da turbina a gás, evento este freqüente, acarretaria na
paralisação de toda a unidade geradora. No ciclo com a configuração
convencional, com duas turbinas a gás para uma turbina a vapor, por exemplo,
uma parada similar permitiria a operação da usina com aproximadamente metade
da carga;
b) Maior prazo para o início da geração de energia, visto que a instalação do ciclo de
gás coincidiria com o ciclo de vapor, muito mais longo, não permitindo a operação
escalonada, conforme citado no tópico a acima.
A eficiência térmica de usinas em ciclo combinado é calculada pela seguinte equação:
Água: 110 ºC
11.5 t/h (1.47 MW)
51
( )
+
x Q Q
E T
CC Q
C
η = 100
Onde
ηCC = Eficiência térmica – PCI (%)
QE = Potência líquida
QT = Energia térmica contida no vapor processo
QC = Poder calorífico inferior do combustível
4.5
Cogeração com Motores de Combustão Interna
2 X 6350 kW
G
170 ºC
H
RS
G
56 bar/271 ºC
5.5 t/h,
(4.26 kW)
12 bar/188 ºC
6 t/h,
(4.64 kW)
Vapor
56 bar/271 ºC
0.43 t/h,
(0341 kW)
Água
130 ºC
11.93 t/h (1.81 kW)
Combustível
31.0 MW
Motor Diesel
Escapamento
450 ºC
Resfriador de Água
5.5 MW)
Esfriador de Ar
Água: 70 ºC
11.5 t/h, (0.94
MW)
Por Processo
Essa tecnologia de cogeração baseia-se na utilização de motores alternativos de
combustão interna (motor Otto, motor Diesel motor a Gás Natural ou motor Dual). A

52. energia térmica remanescente proveniente de um motor de combustão interna na
forma de gases de escapamento, pode ser parcialmente reaproveitada para a
produção de água quente procedente através da refrigeração dos cilindros e do
circuito de óleo lubrificante, ou até do ar, no caso de motores turbo-alimentados.
Em muitas instalações industriais, os motores de combustão interna, principalmente o
motor Diesel, têm sua principal aplicação como unidade geradora de emergência ou
para a geração exclusiva em horários de pico. Neste caso, a cogeração de energia
não é considerada atraente, pois a geração de vapor através motores de combustão
interna é normalmente insuficiente para as necessidades da atividade industrial,
necessitando do apoio de caldeiras.
Uma aplicação da cogeração com motores de combustão interna que está ganhando
espaço é aquela em instalações do setor terciário tais como hotéis, hospitais, shopping
centers, edifícios comerciais, hipermercados. etc. Nesses estabelecimentos, os
motores de combustão interna, particularmente os motores a gás natural, competem
com as turbinas a gás para a cogeração de energia ou seja, a geração de energia
elétrica destinada à iluminação e acionamentos mecânicos e a geração de energia
térmica ao aquecimento ou ao acondicionamento ambiental através de sistemas de
refrigeração por absorção.
4.6
Custos de Geração
Para a estimativa dos custos de geração, pode ser dotada a seguinte fórmula, que
expressa a inter-relação entre as variáveis técnicas e econômicas:
52
CUG CUI FRC + +
CUOM CUCB
FCE
×
×
=
8,76
onde:
CUG = custo unitário de geração, em US$/MWh;
CUI = custo unitário do investimento, incluindo os juros durante a construção e os
tributos locais, em US$/kW;
FRC = fator de recuperação de capital, para uma vida útil n e taxa de juros i;
FCE = fator de capacidade anual;
CUOM = custo unitário de operação e manutenção, excluídos os gastos com
combustível, em US$/MWh;
CUCB = custo unitário de combustível, em US$/MWh.
Como se pode discernir das fórmulas acima, o custo total de geração é constituído
basicamente por três componentes:
ƒ custo de capital;
ƒ custo de operação e manutenção da central termelétrica;
ƒ custo do combustível.

53. O primeiro termo da expressão reflete o custo anual do investimento por MWh de
energia produzida pela planta de geração e depende do valor dos investimentos, do
tempo de construção da usina, da taxa de desconto adotada, da vida útil da central
termelétrica e do regime de operação (fator de capacidade).
O segundo termo representa o custo necessário, por MWh de energia gerada, para se
operar e se efetuar a manutenção da central. Esse custo consiste de uma parcela fixa
e de uma outra parcela variável. Os custos fixos são aqueles independentes da
produção de energia, sendo o seu componente principal os salários da equipe
permanente da central. Os custos variáveis são aqueles que se alteram com a
produção de energia e inclui itens tais como: peças de reposição durante a
manutenção, despejo de efluentes e materiais de consumo como produtos químicos e
lubrificantes.
O terceiro termo evidencia o gasto anual previsto com o consumo de combustível na
central, o qual depende basicamente do nível esperado de utilização da usina e da sua
eficiência, sendo esta última afetada pelo regime operacional. Inicialmente, foi
estipulada uma taxa de desconto de 12% ao ano. Esta taxa refere-se a fluxos reais
corrigidos da inflação, devendo ser vista como um tipo de custo de oportunidade de
capital, cujo valor foi fixado sem se levar em consideração as taxas praticadas no
mercado financeiro e comercial.
Para a composição desses custos de geração está sendo ainda assumida uma vida
útil de 20 anos para a nova central termelétrica.
Quanto ao fator de capacidade adotado, foi levado em consideração a importância que
a nova central desempenhará dentro do complexo fabril. Num sistema com as
características que estão sendo requeridas, para se garantir um suprimento
praticamente ininterrupto de energia elétrica e de vapor, há a imposição de se ter,
como mínimo obrigatório, um fator de capacidade elevado. Foi adotado o fator de
capacidade de 95%, estimado em função dos dados definidos pela Fabricare.
4.6.4
Custos de Investimento
Nos empreendimentos inerentes ao setor elétrico, é prática usual para o
empreendedor confiar a um empreiteiro a responsabilidade total referente às
atividades principais do projeto, ou seja: a engenharia, a compra de equipamentos
eletromecânicos e a construção propriamente dita - atividades essas conhecidas
coletivamente como EPC.
Os custos envolvidos na EPC são basicamente os custos dos equipamentos
principais, tais como: os grupos turbogeradores e as caldeiras, o BOP (Balance of
Plant) - que consiste nos equipamentos eletromecânicos diversos, as obras civis, a
montagem eletromecânica, a engenharia e o comissionamento (start-up). A esses
custos ainda devem ser acrescidos os custos incorridos pelo empreiteiro para a
execução do seu trabalho, os quais incluem cauções e seguros, honorários e lucros,
incorporando ainda uma parte destinada a eventuais contingências.Além dos custos
associados à EPC, o empreendedor também precisa reservar uma parte da verba para
53

54. a fase de desenvolvimento do projeto, que normalmente implica nos seguintes custos
adicionais:
ƒ Licenciamento ambiental, inclusive o EIA-RIMA;
ƒ Custos legais e financeiros;
ƒ Juros durante construção;
ƒ Gerenciamento de projeto.
5
CALDEIRAS DE RECUPERAÇÃO DE CALOR
5.1
Introdução
As caldeiras de recuperação de calor (CRC´s) utilizadas para trabalharem com
turbinas a gás, em ciclo combinado, são equipamentos especialmente desenvolvidos
para o aproveitamento do calor residual contido nos gases de exaustão dessas
turbinas, servindo como elo de ligação entre o ciclo de gás e o ciclo de vapor.
As caldeiras de recuperação são de concepção muito mais simples que as caldeiras
convencionais. Normalmente não possuem queimadores e o calor é transferido à água
por convecção e não por radiação. O conjunto caldeira-turbina a vapor normalmente
trabalha com pressão variável, conforme a carga.
5.2
Tipos básicos
Uma classificação precisa das caldeiras de recuperação de calor apresenta bastante
dificuldade, devido à enorme variedade existente nos tipos fundamentais. Como
54

55. tentativa, e antes de entrarmos no tratamento particular dos diversos tipos,
agruparemos as caldeiras de recuperação da seguinte forma:
ƒ Quanto à circulação;
ƒ Quanto aos níveis de pressão;
ƒ Quanto ao arranjo;
ƒ Quanto ao sistema de queima.
5.2.1
Quanto à circulação
De acordo com o sistema de circulação interna da água no evaporador, as caldeiras
de recuperação podem ser classificadas em:
ƒ Caldeiras de circulação natural;
ƒ Caldeiras de circulação forçada.
No primeiro tipo, a circulação interna da água é provocada pelas correntes de
convecção que se estabelecem por diferenças de peso especifico entre a água contida
nos tubos de descida não aquecidos, e a água presente nos tubos que constituem o
evaporador.
Nas caldeiras de circulação forçada, a água é obrigada a circular pelo seu interior
devido à ação de elementos mecânicos externos, geralmente bombas especiais que
injetam a água sob pressão.
Em ambos os casos, a caldeira possui um tubulão, onde se realiza a separação da
água e do vapor saturado. Uma alternativa de projeto de CRC´s é o tipo once through
ou Benson, o qual dispensa o uso de tubulão. Caldeiras deste tipo operam a pressões
extremante elevadas, aproximando–se da pressão crítica (o ponto em que a água e a
vapor possuem a mesma densidade).
5.2.2
Quanto aos Níveis de Pressão
Dependendo do grau de aproveitamento desejado da energia térmica contida nos
gases de exaustão da turbina a gás, pode ser adotada uma das seguintes opções
disponíveis:
ƒ Pressão única ou mono-pressão;
ƒ Pressão dupla;
ƒ Pressão tripla.
A eficiência global de um ciclo combinado está muito ligada ao melhor aproveitamento
do calor residual dos gases de exaustão da turbina a gás. Assim, fica obvio que o
projeto térmico da caldeira de recuperação é um dos pontos mais importantes.
Nos ciclos com uma só pressão, a temperatura dos gases lançados pela chaminé é
ainda elevada, indicando baixa recuperação do calor residual. A forma encontrada
para maximizar a recuperação de calor, de forma econômica, foi a geração de vapor
55

56. em mais de um nível de pressão.Com a utilização do sistema de dupla pressão
consegue-se um aumento de eficiência global do ciclo combinado em torno de 1,7%.
Os ciclos atuais de alta eficiência utilizam caldeiras de recuperação com três níveis de
pressão, sendo o mais alto da ordem de 100 bar, possuindo ainda um ou dois feixes
tubulares adicionais que constituem os reaquecedores de vapor.
56
Pressão Dupla
Pressão Única

57. 5.2.3
Quanto ao Arranjo
As caldeiras de recuperação de calor podem ser configuradas de duas maneiras, a
saber:
ƒ Vertical
ƒ Horizontal
A escolha entre as duas alternativas, freqüentemente, é feita em função do espaço útil
disponível nas instalações. Nos projetos verticais típicos, a caldeira fica suspensa por
uma estrutura de aço. O suporte para a caldeira nos projetos horizontais fica
geralmente na parte inferior de sua base.
57
Pressão Tripla

58. 5.2.4
Quanto ao Sistema de Queima
Há três tipos básicos:
ƒ Sem queima suplementar (unfired)
ƒ Com queima suplementar (supplementary firing)
ƒ De queima total
As caldeiras de recuperação normalmente utilizam apenas os gases quentes
exauridos da turbina a gás, constituindo assim o tipo denominado unfired ou sem
queima. O ciclo combinado sem queima suplementar é atualmente o mais utilizado,
por proporcionar maior eficiência global. Tipicamente, as condições do vapor
produzido com caldeiras sem queima suplementar ficam na faixa de 10,3 bars
saturado até aproximadamente 100 bars - 510º C. O desempenho desse tipo de
caldeira de recuperação de calor é totalmente dependente do regime operacional da
turbina e não pode prover facilmente o controle de vazão de vapor.
Sendo que as turbinas a gás geralmente consomem apenas uma parte do oxigênio
contido no ar comburente introduzido na câmara de combustão, o teor de oxigênio dos
gases de exaustão da turbina permite a queima suplementar de combustível de
maneira a otimizar a operação da caldeira, mediante temperatura mais elevadas dos
gases e, por conseguinte, melhores condições do vapor superaquecido. Neste caso,
queimadores adicionais são instalados dentro do duto que interliga a turbina e a
caldeira de recuperação, numa posição próxima à entrada da caldeira. Esses
queimadores normalmente queimam o mesmo tipo de combustível utilizado na turbina
a gás, usando como comburente os próprios gases de exaustão da turbina, que ainda
contêm cerca de 15% de oxigênio, em volume. Na prática, costuma-se limitar o
emprego da queima suplementar até uma temperatura média de queima de 982º C.
58

59. Algumas indústrias têm usado os gases de exaustão de turbinas a gás como ar
comburente pré-aquecido para realizar a queima de um combustível numa caldeira
“convencional” equipada com queimadores próprios. Por definição, nesse tipo de
caldeira, conhecida como caldeira de queima total, o teor de oxigênio nos gases
descarregados à atmosfera é igual àquele contido nos gases lançados por uma
caldeira que utiliza o ar atmosférico como comburente. A produção de vapor em
caldeiras de recuperação de calor do tipo de queima total, é seis a sete vezes maior
que a produção de vapor em caldeiras sem queima suplementar. Apesar da sua
capacidade de produzir quantidades significativas de vapor, existem pouquíssimas
aplicações industriais desse tipo de caldeira, por motivos exclusivamente de ordem
econômica. As CRC´s com queima total são caras, por causa da construção mais
sofisticada da sua parede de água, e também pela necessidade de montagem no
campo.
59

60. 5.3
Conceitos Gerais de Dimensionamento
As caldeiras de recuperação de calor utilizadas para cogeração em ciclo combinado,
possuem uma característica de troca de calor predominantemente convectiva, assim
como características de projeto distintas das caldeiras aquatubulares convencionais.
A quantidade de vapor produzido pela caldeira de recuperação de calor é determinada
pelo assim denominado pinch point, que é a menor diferença entre a temperatura dos
gases na saída do evaporador e a temperatura do vapor saturado. Outro parâmetro
importante no dimensionamento das caldeiras de recuperação de calor é o approach
point ou ponto de aproximação, definido como a diferença entre a temperatura do
vapor saturado e a temperatura da água na saída do economizador. Evidentemente,
quanto menor essa diferença, maior será a recuperação de calor e portanto a
eficiência da caldeira. Porém, inversamente, a área de troca térmica da caldeira
deveria ser maior para que isso ocorresse, de forma que a determinação do pinch
point ideal acaba sendo limitada por fatores de ordem técnico-econômica.
É importante destacar que tanto o pinch point quanto o approach point, não podem ser
escolhidos de maneira arbitrária. Se forem utilizados tubos lisos, ou se as
temperaturas dos gases na entrada forem mais altas, digamos 760 a 816º C, então o
pinch point e o approach point terão que ter valores mais elevados.
Pinch Point e Approach Point Recomendados
Item Pinch Point, º C Approach Point, º C
Tipo de evaporador Liso Aletado ---------
Temperatura de entrada de gás,
649 – 982
72 -83
399 - 649
44 -72
60
17 – 33
6 - 17
22 – 39
6 - 22

61. 5.4
Aspectos Construtivos
Na caldeira de recuperação não existe fornalha e o calor é transmitido pelos gases de
combustão provenientes da turbina a gás a modestas diferenças de temperatura,
sendo necessário, para tanto, a utilização de grandes áreas de troca térmica. O uso de
tubos aletados é, portanto, fundamental para se aumentar efetivamente a área de
troca de calor.
Uma caldeira de recuperação de calor, na sua configuração mais simples, terá
tipicamente os seguintes componentes principais:
ƒ Um tubulão fabricado em aço liga, de alta qualidade, disposto transversalmente ao
fluxo dos gases de exaustão provenientes da turbina. Todos os tubos são
mandrilados nos furos do tubulão. Internamente, o tubulão é equipado com
separadores (scrubbers), para se assegurar a pureza do vapor.
ƒ Um superaquecedor do tipo convectivo, que consiste de seções de tubos verticais
aletados ou de serpentinas lisas instalados transversalmente ao fluxo dos gases.
Este superaquecedor é normalmente instalado na primeira parte da seção de
convecção da caldeira, sendo protegido por um número adequado de tubos de
anteparo (screen tubes), para se evitar falha devido à fadiga por escoamento, como
conseqüência da exposição a altas temperaturas por período de tempo longo.
ƒ Um evaporador de alta pressão, que consiste de tubos aletados espaçados
adequadamente. No caso de CRC´s com queima total, os que formam a parede
externa são do tipo membranado, visando prover um invólucro contínuo para a
contenção dos gases. A construção de parede de tubo tangente veda a seção do
evaporador e protege o isolamento e a carcaça externa do contato com os gases
de exaustão
ƒ Um economizador para recuperar calor residual a jusante do evaporador e
transferi-lo à água de alimentação, aumentando assim a eficiência térmica da
caldeira. Um arranjo típico de economizador consiste no uso de feixes de tubos
aletados dispostos horizontalmente ou verticalmente. Economizadores de baixa
pressão requerem, por outro lado, a utilização de material resistente à corrosão,
sendo que a água de alimentação passando nesta seção pode conter uma
concentração alta de oxigênio e a temperatura de superfície externa dos tubos
pode ser inferior à temperatura de orvalho dos gases de exaustão.
Os gases oriundos da turbina a gás atravessarão, sucessivamente, as várias seções
da caldeira: o superaquecedor, o evaporador de alta pressão, o economizador e o
evaporador de baixa pressão, antes de serem expelidos para a atmosfera.
61

62. 1. Duto de entrada 12. Carcaça
2. Grade de distribuição 13. Desaerador
3. Superaquecedor de alta pressão 1 14. Chaminé
4. Queimador 15. Pré-aquecedor
5. Superaquecedor dividido 16. Evaporador
6. Superaquecedor de alta pressão 2 17. Economizador AP/BP
7. Catalisador de CO 18. Evaporador de média pressão
8. Tubulão de vapor de alta pressão 19. Superaquecedor de média pressão
9. Suportes superiores 20. Economizador de alta pressão
10 Catalisador SCR 21. Grade de injeção de amônia
11. Tubulão de vapor de baixa pressão 22. Evaporador de alta pressão
5.5
Rendimento
A eficiência da caldeira de recuperação de calor determina a proporção do calor
contido nos gases de exaustão da turbina convertida em vapor.
O calor efetivo fornecido ao vapor = (Calor disponível nos gases de exaustão da
turbina + Calor introduzido pela queima
suplementar) X Eficiência da CRC
62
Eficiência da CRC Q
V
CRC Q +
Q
ETG QS
, η =
As caldeiras de recuperação de calor, conforme a sua concepção de projeto,
apresentam eficiências térmicas na faixa de 85 a 95%. Em geral, as caldeiras de
recuperação de calor sem queima suplementar podem ser projetadas

63. economicamente para recuperar 95% da energia contida nos gases de exaustão da
turbina a gás. Níveis mais altos de desempenho são possíveis; entretanto, o maior
custo da superfície de troca térmica e, possivelmente, uma perda de carga maior no
circuito de gás, devem ser avaliados para estabelecer se os custos mais elevados são
justificados.
5.6
Sistema de Tiragem dos Gases de Exaustão
Como as caldeiras de recuperação de calor geralmente não têm fornalha, o seu
sistema de tiragem se restringe ao subsistema de exaustão dos gases recebidos da
turbina. Não há, por conseguinte, necessidade da utilização de ventilador de tiragem
forçada, mesmo no caso de caldeiras com queima suplementar. Entretanto, para
permitir a operação do ciclo Rankine quando a turbina a gás estiver inoperante, muitas
usinas de ciclo combinado preferem instalar um ventilador de tiragem forçada.
Similarmente, o uso de ventilador de tiragem induzida também é dispensado, pois a
contrapressão prevalecente na saída de turbina, aliada à tiragem natural
proporcionada pela chaminé, normalmente é suficiente para se superar a resistência
do circuito de gases.,
Para embutir maior flexibilidade operacional nas instalações de ciclo combinado, é
prática normal prover a instalação com uma chaminé de by-pass, tendo em vista que a
turbina a gás, eventualmente, poderá operar sozinha, em ciclo aberto, quando os
gases de exaustão serão desviados diretamente para a atmosfera através de um
sistema composto por damper, silenciador e esta chaminé de by pass, posicionados
no duto que interliga a turbina à caldeira de recuperação.
63

64. Chaminé de Bypass
64

65. 5.7
Fabricantes
Alguns fabricantes que atuam, a nível mundial, no projeto e fabricação de caldeiras de
recuperação de calor destinadas a usinas termelétricas em ciclo combinado, estão
indicados no quadro a seguir:
EMPRESA LOCALIZAÇÃO
1 Aalborg Industries Inc Erie, PA, EUA
2 ABCO Industries Inc Abilene, TX, EUA
3 ALSTOM Energy Systems SHG Inc Wexford, PA, EUA
4 Ambient Technologies Aventura, FL, EUA
5 American Power Services Inc Erlanger, KY, EUA
6 Ansaldo Caldaie SpA Legnano, Milão, ITALIA
7 Ansaldo Energia SpA Genova, ITALIA
8 APV Heat Transfer Americas Tonawanda, NY, EUA
9 ATS/Express Tulsa, OK, EUA
10 Babcock Wilcox Co, Power Generation
Group Barberton, OH, EUA
11 Babcock Borsig Power Inc Worcester, MA, EUA
12 Beaird Industries Inc Shreveport, LA, EUA
13 Boiler Tube Co of America Lyman, SC, EUA
14 Cerrey SA San Nicoles de los Garza, NL,
15 Clayton Industries El Monte, CA, EUA
16 Deltak LLC Plymouth, MN, EUA
17 Des Champs Laboratories Inc Natural Bridge Station, VA, EUA
18 Energy Products of Idaho Coeur d'Alene, ID, EUA
19 Energy Recovery International Lincoln, NE, EUA
20 Enpro Inc Lebanon, NJ, EUA
65

66. 21 Foster Wheeler Corp, Power Group Inc Clinton, NJ, EUA
22 Framatome ANP Lynchburg, VA, EUA
23 GE Co Albany, NY, EUA
24 Hague International Kennebunkport, ME,EUA
25 Holman Boiler Works Inc Dallas, TX, EUA
26 Holtec International Marlton, NJ, EUA
27 Ingersoll-Rand Co Davidson, NC, EUA
28 International Power Machinery Co Cleveland, OH, EUA
29 ITT Standard Buffalo, NY,EUA
30 Mitsui Engineering Shipbuilding Co Ltd Chuo-ku, Tokyo, JAPÃO
31 Noell Inc Herndon, VA, EUA
32 Nooter/Eriksen Fenton, MO, EUA
33 Paul Mueller Co Springfield, MO, EUA
34 Power Max Houston, TX, EUA
35 Reeco Somerville, NJ, EUA
36 Rentech Boiler Systems Inc Abilene, TX, EUA
37 SCAM SpA Turin, ITALIA
38 Standard-Kessel/Lentjes-Fasel GmbH Co Duisburg 12, ALEMANHA
39 Stewart Stevenson Houston, TX, EUA
40 Struthers Industries Inc Warren, PA, EUA
41 Thermal Transfer Corp Monroeville, PA, EUA
42 Vaporphase Engineering Controls Inc St Louis, MO,EUA
66

67. 6
EQUIPAMENTOS DE CICLO TÉRMICO
Além das máquinas motrizes, alternadores e caldeiras, uma usina completa, que opera
em ciclo combinado, inclui uma série de elementos secundários, pertencentes ao ciclo
de vapor, que afetam o desempenho e a economia da termelétrica. Coletivamente são
conhecidos como BOP (Balance of Plant), que literalmente significa “resto da planta”.
Abordaremos os mais importantes desses equipamentos.
6.1
Condensador e Torres de Resfriamento
6.1.1
Condensador
Esse equipamento tem as seguintes funções básicas:
• remoção do calor latente do vapor de exaustão da turbina;
• manutenção de uma pressão sensivelmente inferior à pressão atmosférica (vácuo)
na saída da turbina de modo a atingir a maior queda entálpica possível e maximizar
o desempenho térmico da turbina;
• transformação do vapor em condensado para possibilitar o ingresso do fluído de
processo de volta ao ciclo térmico.
O condensador normalmente empregado é do tipo superfície o qual receber água de
resfriamento proveniente de um corpo de água natural (sistema de circuito aberto) ou
de uma torre de resfriamento (sistema de circuito fechado).
67

68. Um condensador do tipo superfície consiste de uma carcaça construída em chapas de
aço carbono soldadas, dotado internamente em cada extremidade de uma câmara
conhecida como caixa de água. Bancos de tubos metálicos lisos de material especial
(tais como cúproniquel e, bronze-alumínio) fixados em espelhos (normalmente de
metal Muntz) separam o espaço entre as duas câmaras.
Os tubos e as caixas de água podem ser dispostos para um fluxo de água através da
carcaça de um passo ou de dois passos. No condensador de um passo a água entra
a caixa de água de uma extremidade, flui através dos tubos em paralelo e sai na caixa
de água do lado oposto. No caso de dois passos, a caixa de água onde a água entra
inicialmente é dividida horizontalmente por uma chapa. A água ingressa na parte
inferior dessa caixa, passa pelos tubos localizados na metade inferior da carcaça,
entra até a caixa de água no lado oposto (sem divisória) e ali inverte o sentido do
fluxo passando para os tubos na metade superior da carcaça.
A maioria de condensadores de grande porte também possui divisórias verticais para
permitir a limpeza ou manutenção da metade do condensador enquanto a outra
metade continua funcionando.
O condensado recuperado pelo condensador é armazenado num recipiente localizado
em baixo da carcaça, conhecido como poço do condensador tanque cilíndrico.
Para seu perfeito funcionamento, os condensadores necessitam do auxílio dos seguintes
equipamentos:
ƒ bombas para movimentação do condensado e da água de circulação;
ƒ ejetores de ar do tipo jato a vapor (lado de vapor);
ƒ edutores ou bombas de vácuo para o escorvamento das caixas de água.
6.1.2
Torres de Resfriamento
No sistema de água de resfriamento do tipo circuito aberto a água de circulação após
passar pelo condensador é conduzida de volta ao corpo de água de origem o qual serve
como o reservatório frio para rejeição de calor do ciclo térmico. Hoje em dia por motivos
da ordem ambiental a adoção desse sistema é bastante restringida e praticamente
tornou-se obrigatório o uso de torres de resfriamento.
Uma torre de resfriamento de água é um equipamento termomecânico de operação
contínua que se utiliza de transferências de massa e/ou energia para resfriar a água.
Existem dois tipos básicos: Úmido ou evaporativo e seco.
a) Torres Tipo Úmido ou Evaporativo
Para torres do tipo úmido ou evaporativo, os processos de transferência de massa e de
calor sucedem expondo a superfície de água ao ar. Para tanto há a necessidade básica
da formação máxima de superfície de água, a qual se consegue, por meio de:
ƒ Borrifamento que gera gotículas de água;
ƒ Enchimentos que criam filmes ou gotas de água devido ao efeito de respingo.
68

69. As torres de resfriamento podem ser classificados em função do tipo de tiragem
empregado para a movimentação de ar, a saber:
ƒ Torres de resfriamento de tiragem natural – A movimentação do ar depende do
efeito de chaminé, ou seja induzida por meio de diferenças de densidade. Para
grandes capacidades podem ser utilizadas torres de tiragem natural com formato
hiperbólico, usualmente construídos em concreto.
ƒ Torres de tiragem mecânica – A movimentação de ar é efetuada por intermédio de
um ventilador. Conforme a localização do ventilador, podem ser do tipo:
à Tiragem forçada – o ventilador é instalado na entrada do ar na parte inferior da
69
torre;
à Induzida – o ventilador é disposto do lado do ar, normalmente no topo da torre.
Há duas variantes:

70. Š Corrente-cruzada – A água em queda vertical é resfriada pelo ar em trajetória
70
horizontal;
Š Contra-corrente – A água em queda vertical é resfriada pelo ar em trajetória
vertical ascendente.
Os componentes básicos de torres do tipo úmido ou evaporativo são: estrutura,
sistema de distribuição de água, venezianas, eliminadores de gotas, fechamento,
plataforma, cilindro ou difusor do ventilador e bacia de água.
Muitas torres de resfriamento são construídas de forma modular utilizando uma série
de células idênticas dispostas lado a lado as quais trabalham em conjunto para atingir
a capacidade desejada.
O limite teórico dessas torres é a temperatura de bulbo úmido do ar.
b) Torres Secas
Quando o uso de água precisa ser minimizado empregam-se torres de resfriamento do
tipo seco as quais requerem um volume sensivelmente reduzido de água de reposição.
Torres secas utilizam um sistema indireto no qual a água de resfriamento circula num
circuito fechado, retira o calor latente do vapor no condensador e o libera para a
atmosfera mediante trocadores de calor. Essas torres podem trabalhar com tiragem
natural (hiperbólicas) ou com tiragem forçada.

71. c) Condensador a Ar
Nos casos em que a restrição quanto ao uso de água é total a solução encontrada é a
adoção de condensador a ar. Neste sistema emprega-se diretamente o ar para resfriar
o vapor conduzido, mediante dutos até a superfícies de troca de calor constituídas de
tubos aletados, normalmente dispostas em formato de V invertida. A movimentação da
massa de ar é feita por grandes ventiladores instalados abaixo dos módulos de
condensação.
71

72. 6.2
Desaerador e Pré-Aquecedores de Água de Alimentação
Um método usualmente adotado para aumentar a eficiência térmica de ciclos a vapor
é o aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira ou simplesmente
regeneração. Para realizar esse processo de aquecimento utilizam-se pré-aquecedores
72
de dois tipos, a saber:
ƒ Tipo aberto;
ƒ Tipo fechado.
6.2.1
Desaerador Térmico
Pré-aquecedores de água de alimentação do tipo aberto, mais conhecidos como
desaeradores térmicos, são usados principalmente para reduzir o teor de oxigênio e
outros gases não condensáveis aos limites permissíveis visando proteger a caldeira da
ação corrosiva da oxidação. Em segundo lugar, como parte do ciclo de aquecimento
regenerativo da água de alimentação da caldeira, eles servem para aumentar a
eficiência térmica do ciclo térmico.

73. Na sua configuração mais comum o desaerador térmico empregado em usina
termelétricas consiste de um aquecedor do tipo bandeja ou do tipo combinação
spray/bandeja alojado dentro de um vaso de pressão cilíndrico, vertical, montado em
cima de um tanque de armazenamento de água de alimentação disposto
horizontalmente, também de formato cilíndrico. No aquecedor a água de alimentação é
borrifado em películas finas e entra em contato direto com vapor de baixa pressão que
a aquece rapidamente até o ponto de saturação. O borrifamento de água aumenta a
área de superfície do líquido em contato com o vapor acarretando a remoção mais
rápida de oxigênio e a diminuição das concentrações de gases não condensáveis.
Esse processo reduz a solubilidade dos gases dissolvidos e facilita sua remoção. Os
gases liberados são descarregados à atmosfera.
Os principais critérios para o projeto de desaeradores térmicos, exigidos pelas normas
e códigos aplicáveis, são o teor de oxigênio da água de alimentação saindo do
equipamento que deve ser limitado a 0,005 cc/l e o gás carbônico residual que deve
ser zero.
O desaerador térmico é sempre instalado numa elevação que assegura uma pressão
positiva na sucção das bombas de água de alimentação superior à NPSH dessas
bombas.
73

74. 6.2.2
Pré-Aquecedores de Água de Alimentação
Pré-aquecedores de água de alimentação do tipo fechado são os componentes
principais do ciclo de aquecimento regenerativo da água de alimentação da caldeira e
contribuem sensivelmente no aumento de eficiência térmica e na economia de energia
primária. Uma avaliação técnico-econômica é necessária para determinar o número de
estágios de aquecimento a ser incorporado no ciclo térmico. Unidades geradoras com
turbinas a vapor de condensação freqüentemente utilizam pré-aquecedores de baixa
pressão (lado de sucção das bombas de água de alimentação) e pré-aquecedores de
alta pressão (no lado de recalque das bombas de água de alimentação).
Os pré-aquecedores de água de alimentação da caldeira são trocadores de calor do
tipo casco e tubo de configuração horizontal ou vertical. A troca de calor entre o vapor
de aquecimento, extraído das seções intermediárias da turbina a vapor, e da água de
alimentação se realiza de modo indireto utilizando para tanto tubos metálicos dispostos
em formato de U. A água a ser aquecida normalmente flui dentro dos tubos e o vapor
de aquecimento no lado do casco.
Caso o vapor utilizado para aquecimento apresenta um alto grau de superaquecimento
é normalmente considerada a inclusão de uma seção de desuperaquecimento, assim
como um resfriador de dreno para reduzir a temperatura dos drenos abaixo à
temperatura de saturação.
6.3
Bombas
A movimentação de líquido nos circuitos de condensado e de água de alimentação do
ciclo térmico de vapor de uma usina em ciclo combinado, assim como da água de
circulação destinada ao resfriamento do vapor de exaustão da turbina dentro
condensador, é realizada através de bombas especiais, a saber:
ƒ Bombas de extração de condensado;
ƒ Bombas de água de alimentação;
ƒ Bombas de água de circulação.
74

75. 75
6.3.1
Bombas de Extração de Condensado
As bombas de extração de condensado transporta o condensado acumulado no poço
do condensador até o desaerador. Normalmente são instaladas duas bombas, cada
uma dimensionada para conduzir 100% da vazão de condensado produzido no
condensador a carga máxima contínua da unidade geradora. Essas bombas trabalham
com pressões de aspiração reduzidas (da ordem de 0,5 a 1mCA) e manuseiam água à
temperatura de saturação. Para evitar a cavitação as bombas são instaladas a uma
elevação abaixo do poço do condensador assim assegurando um NPSH positivo.
Bombas de eixo vertical do tipo imerso, em poço metálico (can), são normalmente
empregadas. Caixas de vedação especialmente projetadas evitam o ingresso de ar no
fluxo do condensado.
Uma margem em capacidade de 10% é normalmente embutida no dimensionamento
das bombas de condensado.

76. 6.3.2
Bombas de água de Alimentação da Caldeira
As bombas de água de alimentação são usadas para pressurizar a água retirada do
desaerador e introduzi-la, através dos pré-aquecedores fechados, à caldeira. O
número de bombas de água de alimentação instaladas é definido em função do regime
operacional previsto, a saber:
ƒ Se a caldeira for prevista para operar em regime básica na maior parte do tempo a
um fator de potência alto, usam-se normalmente duas bombas, cada uma
dimensionada para 110 a 125% da capacidade máxima de geração de vapor da
caldeira, sendo uma das bombas mantida como reserva enquanto a outra estiver
operando.
ƒ Se a caldeira será sujeita às variações drásticas de carga diariamente, usam-se
normalmente três bombas, cada uma dimensionada para 55 a 62,5% da capacidade
máxima de geração de vapor da caldeira, sendo uma das bombas mantida como
reserva enquanto as outras duas estiverem operando.
Bombas do tipo centrífugo, de múltiplo estágio, de execução horizontal são
normalmente empregadas. Duas variantes desse tipo são disponíveis, a saber:
ƒ Com carcaça bipartida horizontalmente – ate pressão de recalque de 63 kg/cm²;
ƒ Com corpo de sucção, recalque e de estágios seccionados verticalmente (barrel
type) – Para pressão de recalque superior a 63 kg/cm².
Nota: A vedação entre os corpos de estágio é metálica e a união dos componentes é
feita por tirantes que mantém a junção das superfícies metálicas sob pressão.
Os corpos de estágio e os tirantes são envoltos por uma camisa. O apoio da
bomba é feito na linha de centro do eixo.
76

77. As bombas de água de alimentação são normalmente localizadas na elevação mais
baixa da usina ou a uma distância vertical suficientemente afastada do desaerador
para assegurar que a pressão na sucção da bomba seja mantida sempre superior à
NPSH exigida pela bomba. Freqüentemente, uma bomba booster é instalada a
montante da bomba de água de alimentação para reforçar a pressão de aspiração e
garantir a sucção positiva superior a NPSH em todos os regimes de carga.
Para prevenir sobreaquecimento e eventual dano, cada bomba de água de
alimentação da caldeira é provida de um sistema de controle de recirculação para
manter uma vazão mínima segura através da bomba. Quando a vazão mínima da
bomba for atingida um elemento de medição (sensor) envia um sinal até um
controlador de vazão o qual por sua vez abre uma válvula de controle instalada na
linha de recirculação fazendo com que a água fosse desviada até o desaerador.
Adicionalmente, cada bomba possui um sistema de aquecimento para permitir sua
entrada rápida em operação caso estiver em standby.
As bombas de água de alimentação da caldeira são normalmente acionadas por
motores elétricos e a variação de pressão é obtida por variadores de velocidade
hidrodinâmicos ou magnéticos. Em alguns casos a utilização de turbinas a vapor como
acionadores poderiam ser justificada Essa decisão deve ser tomada após uma
avaliçaõ técnico-econômica criteriosa
6.3.3
Bombas de Água de Circulação
As bombas de água de circulação instaladas em usinas termelétricas em ciclo
combinado tem por finalidade bombear água de resfriamento de um corpo de água
(circuito aberto) ou de uma torre de resfriamento (circuito fechado) através de tubos no
interior do condensador, a fim de que, com o resfriamento, seja obtida a condensação
do vapor.
Em instalações pequenas e médias, usam-se bombas com carcaça voluta de dupla
aspiração, de execução horizontal, mas para usinas de grande porte preferem-se
bombas de eixo vertical, com rotor tipo hélico-centrífugo, helicoidal ou axial, as quais
77

78. melhor se adequam ao manuseio de água de grandes quantidades às baixas alturas
manométricas.
78

79. QUADRO COMPARATIVO DE SISTEMAS DE COGERAÇÃO
81
MÁQUINA
MOTRIZ
COMBUSTÍVEL
UTILIZADO
FAIXA DE
POTÊNCIA
( MWE)
RELAÇÃO
CALOR /
ELETRICIDADE
EFICIÊNCIA
DE
GERAÇÃO
ELÉTRICA
EFICIÊNCIA
GLOBAL
TÍPICA
FORMA /
QUALIDADE DO
CALOR
PRODUZIDO
Turbina de
contrapressão
Qualquer
combustível fóssil
ou biomassa
0,5 a 500 3:1 a 10:1+ 7 a 20% Até 80% Vapor em dois
níveis de pressão
ou mais
Turbina de
extração/
condensação
Qualquer
combustível fóssil
ou biomassa
1 a 100+ 3:1 a 8:1+ 10 a 20% Até 80% Vapor em dois
níveis de pressão
ou mais
Turbina a gás,
ciclo simplés
Gás natural,
biogás, óleo
diesel, óleo
pesado, óleo
leve, GLP, nafta
0,25 a 50+ 1.5:1 a 5:1* 25 a 42% 65 a 87% Vapor de
qualidade média;
água quente de
alta temperatura
Ciclo
combinado
Gás natural,
biogás, óleo
diesel, óleo leve,
GLP, nafta
3 a 300+ 1:1 a 3:1* 35 a 55% 73 a 90% Vapor de
qualidade média;
água quente de
alta temperatura
Motor Diesel Gás natural,
biogás, óleo
diesel, óleo
pesado, óleo
leve, GLP, nafta
0,2 a 20 0,5:1 a 3:1* 35 a 45% 85 a 90% Vapor de baixa
pressão; água
quente de baixa e
média
temperatura
Motor Otto Gás natural,
biogás, nafta
0,003 a 6 1:1 a 3:1 25 a 43% 70 a 92% Água quente de
baixa e média
temperatura

80. VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS OPÇÕES DE MÁQUINA MOTRIZ PARA COGERAÇÃO
Máquina
Motriz Vantagens Desvantagens
82
Turbinas a
vapor
Alta eficiência global ;
Pode usar qualquer tipo de combustível;
Pode variar relações calor/eletricidade através da
flexibilização de operação;
Capacidade de fornecer calor em várias formas
(vapor de média pressão, vapor de baixa pressão,
água quente) e qualidade;
Faixas amplas de capacidade disponíveis no mercado
mundial;
Vida útil longa.
Altas razões calor/eletricidade;
Custo de implantação alto;
Partida lenta.
Turbinas a
gás
Alta confiabilidade que permite operação não
acompanhada;
Disponibilidade de calor de alta qualidade;
Alta velocidade constante permitindo controle
otimizada da freqüência;
Alta relação potência/peso;
Dispensa o uso de água de resfriamento;
Custo de investimento por kWe instalado
relativamente baixo;
Capacidade de queimar vários tipos de combustível
(óleo diesel, GPL, nafta, gás natural, biogás);
Níveis baixo de emissão de poluentes.
Número limitado de modelos
dentro da faixa de potência ;
Eficiência mecânica inferior a dos
motores de combustão interna;
Para queima de gás, precisam de
suprimento de alta pressão ou de
compressores boosters;
Níveis altos de ruído;
Eficiência baixa nas cargas baixas;
Podem operar com combustíveis
menos nobres porém os mesmos
devem ser submetidos a um pré-tratamento
para limpeza;
Potência cai a medida que a
temperatura ambiental aumente;
Períodos mais longos para
manutenção.
Motores de
combustão
interna
Eficiência de geração de eletricidade elevada,
alcançavel sobre uma faixa ampla;
Custo de investimento por kWe instalado
relativamente baixo;
Faixa ampla de capacidade a partir de 3 kWe
Flexibilidade operacional a cargas parciais de 30% a
100% com rendimento elevado;
Partida rápida até carga plena (15 segundos,
enquanto turbinas a gás precisam de 0,5 a 2 horas);
Capacidade de queimar vários tipos de combustível
inclusive óleo pesado sem pré-tratamento e gás de
baixa pressão (até 1 bar);
Podem ser submetidos à manutenção geral in situ;
Baixo custo de investimento em tamanhos menores.
Devem ser sempre resfriados,
mesmo se o calor recuperado não
será aproveitado;
Baixa relação potência/peso;
Requerem fundações
substanciais;
Alto nível de ruído de baixa
freqüência;
Custos de manutenção altos.

81. 7
ENCERRAMENTO
O assunto de cogeração de energia é bastante atual para o Brasil. Uma simples
análise do perfil energético brasileiro permite avaliar a importância do fornecimento
de energia elétrica para a atividade industrial. As indústrias brasileiras necessitam
de energia elétrica para as mais diversas finalidades, desde os simples
acionamentos eletromecânicos até os mais sofisticados sistemas de
processamento de dados. A modernização e a expansão das atividades produtivas
dessas indústrias implicam necessariamente em aumento no consumo de
eletricidade. Por ser um consumidor intensivo de energia elétrica, o setor industrial
brasileiro precisa ser assegurado de um suprimento confiável, econômico e
contínuo desta importante commodity. A cogeração de energia representa
atualmente uma das melhores opções tecnológicas para se alcançar esse objetivo.
A atividade industrial está sempre buscando novas e melhores maneiras para a
diminuição das despesas operacionais, para a redução das perdas energéticas e,
simultaneamente, para satisfazer a legislação ambiental. Um caminho para
alcançar todos esses objetivos é um conceito centenário – cogeração de energia.
Vale a pena renovar o interesse brasileiro na aplicação, tanto industrial, como
comercial dessa tecnologia.
83

82. Razão Social: Qualitech Engenharia S/C Ltda
Endereço: Rua Pelotas, 608 - Vila Mariana
04012-002 - São Paulo – SP
CNPJ: 60.908.274/0001-05
Inscrição
Estadual: Isento
CCM: 9.645.041-0
CREA: 365731 - 6a Região
Telefone: (55 11) 5084-5828
Fax: (55 11) 5084-1958
E-mail: e-mail@qualitech-eng.com.br
qualitech_engenharia@consultant.com
Home Page: http://www.qualitech-eng.com.br
Ampliação da Usina Termelétrica da REPLAN que consiste basicamente da implantação de dois grupos
turbo-geradores a gás de 19 MW cada, duas caldeiras de recuperação de calor e equipamentos
eletromecânicos auxiliares. A consolidação do projeto básico e a elaboração do projeto executivo foram
realizadas pela QUALITECH.

83. QUALITECH ENGENHARIA S/C Ltda