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Aplicação de um Ciclo Orgânico de Rankine à Indústria Naval

1. Pot ncia Entalpia Press o Temperatura Ponto kW k ne bar c Estado 1A 767 2 403 8 30 0 180 Vapor Sobreaquecido 1B 767 2 403 8 30 0 180 Vapor Sobreaquecido 2 670 2 352 8 2 0 107 Vapor Sobreaquecido 3 527 8 277 8 1 8 30 Vapor Saturado 4A 170 8 89 9 1 8 30 Liquido Saturado 4B 170 8 89 9 1 8 30 Liquido Saturado 5 172 9 91 31 0 32 Liquido Subarrefecido 6 315 3 166 0 30 0 82 Liquido Subarrefecido Tabela 23 Efici ncia do COR 180 30 C Pot ncia Pot ncia Efici ncia T rmica Gerada 451 9kW 97 0kW 21 5 Fonte Quente 180 C Fonte Fria 45 C Tabela 24 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 180 45 C Pot ncia Entalpia Press o Temperatura Ponto kw u kg bar ec puri 1A 403 8 403 8 30 0 180 Vapor Sobreaquecido 1B 403 8 403 8 30 0 180 Vapor Sobreaquecido 2 361 2 361 2 3 1 117 Vapor Sobreaquecido 3 289 0 289 0 3 0 45 Vapor Saturado 4A 110 4 110 4 3 0 45 Liquido Saturado 4B 110 4 110 4 3 0 45 Liquido Saturado 5 112 5 112 5 31 0 47 Liquido Subarrefecido 6 184 7 184 7 30 0 96 Liquido Subarrefecido Tabela 25 Efici ncia do COR 180 45 C Pot ncia Pot ncia Efici ncia T rmica Gerada 219 1kW 42 6kW 19 5 GISELE oem rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 73 85 6 2 2 Varia o da fonte quente Fonte Quente 150 C Fonte Fria 15 C
2. T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Por este mesmo facto de abranger uma vasta area da engenharia mecanica electrot cnica e qu mica o autor deparou se com algumas dificuldades que seguem enumeradas e Participando num projecto empresarial e sendo que o segredo em parte a alma do neg cio como compreens vel o autor viu se restringido no que toca dissemina o da total informa o til ao dimensionamento do m dulo pe a a pe a e No que toca selec o do cora o do equipamento que a turbina a escassez de informa o espec fica para este tipo de aplica es e para este tipo de fluido restringiu um pouco as op es de escolha acabando por se optar por uma turbina radial menos suscept vel a perdas de rendimento e Devido s d vidas perante o comportamento da turbina a escolha do gerador surge um pouco debilitada sendo que um factor de seguran a consider vel teve de ser dado possivelmente prejudicando a efici ncia e No t pico hidrog nio tamb m aqui se sentiram algumas dificuldades em encontrar informa o recente Na sua grande maioria a bibliografia j de anos passados inclusive estudos realizados recentemente assentam em teses e estudos experimentais alguns que datam mais de 20 anos 7 3 Objectivos atingidos No seguimento de algumas conclus es objectivos foram alcan ados Tendo como objectivo o estudo da viabilidade das tecnologias abor
3. eener eenen nennen 33 Tabela 10 Efici ncias referentes a diferentes fluidos iii 34 Tabela 11 Designa o dos pontos em an lise no Ciclo Org nico de Rankine 35 Tabela 12 Compara o entre fluidos de trabalho na turbina 43 Tabela 13 Caracteriza o de permutadores para o m dulo de 100kW 45 Tabela 13 Rela o de pot ncia e rota o em fun o do bin rio 47 Tabela 15 Pot ncia em fun o da rota o para um determinado bin rio 48 Tabela 5 Propriedades dos combust veis Diesel HFO e Hidrog nio 54 Tabela 17 Propriedades chave dos hidretos com base Alum nica fonte IEA 61 Tabela 18 Propriedades chave dos hidretos com base Borica fonte IEA 62 Tabela 19 Armazenamento de hidrog nio 3 kg como refer ncia 64 Tabela 20 Propriedades do diesel e do Hidrog nio inerentes combust o 65 Tabela 18 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 71 Tabela 19 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 180 30 C 73 Tabela 20 Efici ncia do COR 180 30 C eeeee ee eeenee eee eenneeeetenneeeeene 73 Tabela 19 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 180 45 C 73 Tabela 20 Efici ncia do COR 180 45 C ee eeeneeeeeeeeneeeeteneeeeene 73 Tabela 23 Evolu o termodin mica do
4. es t rmicas a que estar submetida A tens o centr fuga ocorre em virtude da velocidade de rota o as tens es devido a press es ser o logicamente causadas pela diferen a de press o entre a admiss o e escape da turbina sendo a principal causa de dobragem de uma p de uma turbina A tens o t rmica ter origem nas diferen as de temperatura das diferentes partes da turbina as p s e o disco As tens es inst veis aparecem devido interac o da ac o da rota o com as caracter sticas estacion rias na vizinhan a da p sendo que o foco principal desta tens o ocorrer nas arestas a montante e a jusante da p ou seja no bordo de ataque e bordo de fuga da p pois medida que a p roda esta submetida a um campo de press es inst veis gerando ent o tens es inst veis A no o da diferen a entre os tipos de tens es importante num projecto que envolve selec o de turbinas devido ao facto de que determinadas falhas lhes est o associadas sendo que por exemplo a tens o est vel poder originar a falha progressiva levando perda de rendimento atrav s da flu ncia da p acabando na deforma o pl stica As tens es inst veis por sua vez j dar o origem falha da p atrav s de fadiga devido ao aparecimento de fissuras e prolifera o das mesmas No presente trabalho tida especial aten o no que diz respeito s tens es est veis que a turbina seleccionada ir suportar e co
5. o do gerador em fun o do bin rio e rota o que este ter de suportar sendo esta uma das principais dificuldades Numa fase mais final conclui se que a produ o de hidrog nio a bordo pode n o se revelar s por si uma solu o ptima nos dias de hoje isto devido ao facto de que os processos de separa o da mol cula de gua nomeadamente a electr lise hoje em dia n o apresentam efici ncias que beneficiem o processo de consumo energ tico sendo que energia el ctrica por energia qu mica torna se mais vantajoso o consumo directo da energia el ctrica Contudo avizinha se num futuro pr ximo a aplica o de v rias taxas sobre as emiss es provocadas no navio e ai ser de todo ben fico o recurso ao hidrog nio pois um combust vel cujas emiss es resultantes s o consideradas perto de Zero Em suma pode se concluir que toda a mat ria abordada neste trabalho de extrema import ncia para um futuro pr ximo no mercado naval podendo se mais aprofundado dar origem a um sistema de engenharia que poder proporcionar poupan as significativas 7 2 Principais dificuldades O presente trabalho revelou se inspirador quando focado o facto de que permitiu ao autor uma no o geral do que implica o desenvolvimento de um produto mais especificamente um m dulo para produ o de energia el ctrica recorrendo s leis da f sica e da termodin mica ISEL E vem a rea Departamental de Engenharia Mec nica
6. rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 6 2 Varia o de par metros As varia es exteriores dizem muito quanto ao rendimento de um ciclo de Rankine acontecendo o mesmo num Ciclo Org nico de Rankine ent o neste cap tulo demonstrada a influ ncia que as fontes de calor e a fontes de arrefecimento ter o no respectivo rendimento do m dulo 25 0 20 0 15 0 10 0 20 0 25 0 5 0 0 0 45 C 15 0 20 0 3 o 30 C 10 0 15 0 C Fonte Fria 5 0 10 0 Fonte Quente 0 0 5 0 30 C Fonte Fria 15 C 105 C 70 C 45 C Fonte Quente Figura 43 Rendimento do ciclo org nico de Rankine de acordo com as temperaturas da fonte quente e fonte fria No gr fico anterior poss vel observar se a influ ncia que altera es nas fontes t rmicas ter o na efici ncia do ciclo Para obten o dos gr ficos foram simulados cen rios fazendo variar a fonte quente entre os 180 C e os 45 C e a fonte fria entre os 15 C e as 45 C As simula es de maior realce est o caracterizadas ao pormenor nos separadores seguintes i30 E EM rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 72 85 6 2 1 Varia o da fonte fria Fonte Quente 180 C Fonte Fria 30 C Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Tabela 22 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 180 30 C
7. Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Tabela 26 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 150 15 C Fonte Quente 105 C Fonte Fria 15 C Pot ncia Entalpia Press o Temperatura Ponto kW k ne bar c Estado 1A 678 3 357 0 30 0 150 Vapor Sobreaquecido 1B 678 3 357 0 30 0 150 Vapor Sobreaquecido 2 583 3 307 0 1 1 60 Vapor Sobreaquecido 3 506 4 266 5 1 0 15 Vapor Saturado 4A 132 6 69 8 1 0 15 Liquido Saturado 4B 132 6 69 8 1 0 15 Liquido Saturado 5 136 8 72 0 30 0 17 Liquido Subarrefecido 6 213 8 112 5 30 0 45 Liquido Subarrefecido Tabela 27 Efici ncia do COR 150 15 C Pot ncia Pot ncia Efici ncia T rmica Gerada 464 6kW 95 0kW 20 4 Tabela 28 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 105 15 C Pot ncia Entalpia Press o Temperatura Ponto kW k Ike bar c Estado 1A 642 8 338 3 10 0 105 Vapor Sobreaquecido 1B 642 8 338 3 10 0 105 Vapor Sobreaquecido 2 565 3 297 5 1 1 49 Vapor Sobreaquecido 3 506 4 266 5 1 0 15 Vapor Saturado 4A 132 6 69 8 1 0 15 Liquido Saturado 4B 132 6 69 8 1 0 15 Liquido Saturado 5 134 9 71 0 10 0 17 Liquido Subarrefecido 6 193 8 102 0 10 0 38 Liquido Subarrefecido Tabela 29 Efici ncia do COR 105 15 C Pot ncia Pot ncia Efici ncia T rmica Gerada 449 0kW 77 5kW 17 3 GISELE oe
8. Sa da da Regenerador lado frio Entrada no Evaporador Ap s aquecimento no regenerador o fluido R245 permanecer ainda no seu estado de l quido comprimido no entanto registando uma acentuada subida de temperatura No regenerador recuperada a energia equivalente energia cedida pelo fluido no estado de vapor previamente sobreaquecido pois o rendimento desta permuta ser bastante elevado Ser ent o no evaporador que o nosso fluido de trabalho ir recuperar a pot ncia t rmica dos gases de escape at ent o dissipado 4 2 2 Considera es de Projecto Como j foi referido o objectivo inicial no desenvolvimento deste m dulo ser atingir a produ o de energia el ctrica cujo valor nominal rondasse os 100kW de pot ncia ent o com base nesse valor que s o assumidos alguns par metros temperatura e press o destinados a garantir para que se atinja 100kW 100 Em suma para o dimensionamento dos x0 ti gt 20 componentes do m dulo COR nomeadamente dos ad permutadores dep sito de Press o bar v l quido selec o da turbina etc A tendo em conta o comportamento detalhado nas al neas anteriores dr oz ps pa oslos c ser considerada a evolu o 100 200 300 400 500 600 700 presente no gr fico conseguida Entalpia kJ kg com a representa o do ciclo no Gr fico 1 Evolu o termodin mica do fluido no diagrama Ph diagrama Ph e TS demonstrada
9. temperatura do fluido de refrigera o no condensador f cil de se conhecer uma vez que neste ponto teremos o R245fa perto do seu estado saturado iremos considerar como podemos ver mais frente 15 C 4 2 1 4 Sa da do Condensador Entrada no dep sito O objectivo do condensador ser retirar o calor sens vel de sobreaquecimento e o alor latente presente no fluido e fazer com que este passe ao seu estado de l quido saturado para que posteriormente possa ser pressurizado pela bomba presente no ciclo Considera es e No desenvolvimento deste sistema ser considerada uma temperatura de 15 C na fonte fria correspondente temperatura do mar e que proporciona ao ciclo a melhor efici ncia atingindo se sem dificuldade atrav s de um m dulo a implementar na ind stria naval A esta temperatura o fluido encontrar se idealmente a 1bar press o de admiss o da bomba GISELE ocu rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 4 2 1 5 Saida da Bomba Entrada no Regenerador lado frio A sa da da bomba pretende se como objectivo uma pressuriza o de 30bar garantindo assim o estado de l quido comprimido no fluido No regenerador o fluido ir recuperar parte do calor que sobra sa da da turbina esta ac o permitir a redu o da capacidade do condensador tornando o ciclo com um rendimento superior e economicamente mais apetec vel 4 2 1 6
10. aquando da selec o e aplica o de um determinado gerador 4 3 2 Evolu o n o isentr pica Num ciclo ideal seria considerado um rendimento de 100 da ac o do fluido na turbina uma evolu o isentr pica em que a recta de expans o do vapor completamente vertical Contudo este facto n o acontece na realidade existindo perdas justificadas pelo facto de que o fluido n o consegue transferir para a turbina toda a energia que seria idealmente transferida h h gt s transferindo um valor de energia real h h2 Desta forma o fluido ir sair da turbina contendo uma energia residual superior a que deveria ter a uma mesma press o conceito que se pode apreender com a observa o do gr fico 2 QISEL E vem no rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Organico de Rankine Aplicagao ao Sector Naval 1 O a 2 e o A E S pa hy hp AE Rendimento da Turbina hy hos lo 2 2s Entropia kJ kg Gr fico 3 Representa o do rendimento isentr pico da turbina Nas considera es para c lculo de um caso pr tico ser considerado uma efici ncia da turbina pr xima dos 80 valor que bastante inferior aos valores que verificados na realidade no entanto esta ser a forma de garantir que n o inflacionado o valor de produ o do m dulo 4 4 Permutadores Nos dias de hoje s o na ind stria utilizados de forma mais comum dois tipos de permutadores os
11. bem vinda T A ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 3 1 Tipologias A cruzar OS nossos oceanos encontramos diferentes tipos de navios adequados as mais diversas areas podendo ser divididas em 4 principais grupos e diversos subgrupos como podemos ver de seguida Militar Com rcio Industria Auxiliares No mbito deste documento ser o tidos como objeto de estudo alguns navios que pertencem a diferentes subgrupos dentro dos navios de com rcio Esta op o tomada devido ao facto de que perante uma fase de estudo aparecem facilidades quando existe um poss vel interesse econ mico pelo que os navios de com rcio os que reinam nos sete mares aparecem como os mais apetec veis no que toca a rentabilidade existindo sempre a hip tese de adapta o posterior Como podemos observar na figura 5 existem dois tipos de navios de com rcio os de carga e os de passageiros Com rcio He Carga Carga Geral Passageiros c Graneleiros Carga Unitizada Prop sitos M ltiplos Cruzeiros Petroleiros Porta contentores Box Type Ferries Graneleiros S lidos Ro ro Heavy Lift Log Carriers Qu micos Gases Liquefeitos Figura 5 Esquematiza o da tipologia dos navios comerciais e DEM P g 12 85 rea Departamental de Engenharia Mec nica T A ISEL Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Para desenvolvimento o autor tev
12. olhando para a sua configura o mec nica poss vel de se concluir que a energia el ctrica recuperada n o seria de grande utilidade no momento em que esta produzida sendo por isso que tamb m objecto de estudo deste documento a produ o de hidrog nico como forma de armazenamento de energia No presente documento ser levado a cabo tamb m um estudo de viabilidade para os diferentes regimes de pot ncia para um determinado m dulo ORC Hidrog nio Palavras chave Energia Navios Ciclo Org nico de Rankine Hidrog nio Recupera o de Energia Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval V Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Abstract Currently the universe of transportation of people and goods is going through a transformation phase in terms of primary energy sources During the twentieth century the petroleum based fuels gained a significant almost complete weight in transportation This fact according to all indications will be different since the beginning of XXI century TecnoVeritas is an experienced company in the marine world sector which is not alien to this transformation knows the needs of the industry has proposed to the author a participation in the development of an Organic Rankine Cycle intended for onboard installation in ships The vessels are as the vast majority of heat engines a source of energy waste dissipating large amounts of energy which ca
13. tese de armazenamento em fase l quida permitindo reduzir significativamente o volume ocupado para a mesma quantidade de hidrog nio ou seja aumentando a densidade energ tica contudo energia consider vel seria despendida para esta convers o e manuten o de estado visto que o hidrog nio liquefaz a uma temperatura que ronda os 252 87 C pelo que ser necess rio bastante energia para converter e manter o hidrog nio nestas condi es referencialmente 40 da energia contida no hidrog nio Toda esta necessidade de energia reduzir a efici ncia da instala o aumentando o tempo de retorno do investimento e minimizando as vantagens de explora o notando se que este um m todo de armazenamento cujas preocupa es na seguran a ser o mais reduzidas quando comparadas com o primeiro m todo referido Este processo de armazenamento apresenta uma densidade de armazenamento 20 wt H Tendo no o de todas as desvantagens que os meios de armazenamento mais convencionais trazem instala o de um sistema a bordo surge a necessidade de se abordar uma nova solu o Solu o que poder passar pelo armazenamento do hidrog nio num estado s lido Esta uma tecnologia ainda pouco explorada a grande escala mas que ao que tudo indica possibilitar o armazenamento de hidrog nio com uma densidade superior ao estado l quido recorrendo se para isso a determinados materiais met licos que funcionam como esponjas de hidrog n
14. GSISEL ADEM Pag 75 85 Area Departamental de Engenharia Mecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval g kWh 265 260 255 250 245 240 235 2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 kW Gr fico 10 Curva do consumo especifico da maquina principal do navio A Analisando os dados do software BOEM S assistimos que a maquina principal do Navio ja labora normalmente em regimes cujos valores de consumo especifico sao notoriamente altos sendo por isso que a redu o da carga solicitada ao gerador de veio poder n o ajudar Numa viagem tipo o navio com a m quina a 3000kW ir consumir cerca de 29548 4kg 42 horas apresentando um consumo espec fico de 244gr kWh no entanto se pot ncia da m quina se retirar os 100kW provenientes do ciclo COR teremos um consumo de 28933kg contudo com um consumo espec fico de 247 5g kWh representando uma poupan a de 616kg cerca de 2 1 da energia em fuel leo pesado Ser importante agora ter se uma no o da influ ncia que o hidrog nio produzido e armazenada ter na redu o de consumo dos geradores quando o navio se encontra em porto que a segunda hip tese sugerida pelo perfil energ tico observado no gr fico 9 Os geradores do navio em quest o est o tamb m eles a laborar a reduzidas cargas o que incrementa tamb m o consumo espec fico que se situa nos 380gr kWh valor significativamente elevado Este valor de consumo espec fico o
15. Rankine Aplicagao ao Sector Naval 1 1 Objectivos Os objectivos compreendidos neste trabalho serao e Compreender a real viabilidade do modulo COR a uma aplica o naval percebendo os n veis reais de energia t rmica dissipada e Conhecer os componentes fundamentais que constituem o ciclo e as considera es a serem feitas para selec o de qualquer um deles e Conhecer todas possibilidades de arquitectura para um poss vel sistema de produ o armazenamento e consumo de hidrog nio e Sustentar a viabilidade de produ o e consumo de hidrog nio e Perceber a viabilidade econ mica das solu es estudadas ao longo do documento T A ISEL E vem a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 2 2 Enquadramento Para uma boa percep o dos objectivos pretendidos e o caminho a percorrer at eles de todo necess rio perceber o enquadramento que determinada tecnologia tem nos dias de hoje e como chegou at aqui ent o neste cap tulo que isso ser abordado 2 1 Ciclo Org nico de Rankine 2 1 1 Enquadramento Hist rico O ciclo org nico de Rankine tal como o nome indica apresenta como base o ciclo de Rankine mais conhecido na sua generalidade e nomeado com o nome do seu mentor William John Macquorn Rankine este ciclo respons vel pela gera o de 90 da energia el ctrica do mundo Na ilustra o seguinte podemos
16. armazenamento poss vel de hidrog nio a bordo de um navio verifica se o seguinte e Hidrog nio Pressurizado comercialmente vi vel no entanto bastante volumoso e a tecnologia menos segura Densidade de armazenamento 6 a 10 wt H gt e Hidrog nio Liquefeito comercialmente invi vel devido dissipa o de o equivalente a 40 da energia presente no hidrog nio aquando da liquefac o Densidade de armazenamento 20 wt H2 e Hidrog nio S lido Embora exista pouca experiencia e a investiga o efectuada seja m nima nos ltimos anos esta parece ser uma tecnologia apropriada instala o a bordo de um navio Densidade de armazenamento potencialmente 8 wt Hb Um ltimo pormenor que se deve ter em conta se seleccionado este tipo de armazenamento ser o facto de que no in cio da actividade estes hidretos necessitam sofrer um processo de activa o baseado num tratamento t rmico e de v cuo processo ISEL E oem um Area Departamental de Engenharia Mec nica T A ae Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval que pode ser repetido aquando da redu o de efici ncia de armazenamento reactivando o metal hidreto Este processo dever ser inserido numa rotina de manuten o para que se promova a efici ncia de armazenamento Deve ter se ent o em conta a forma e a quantidade de armazenamento de acordo com o regime de produ o e utiliza o de hidrog nio analisando
17. cada navio caso a caso Na tabela seguinte est uma compara o dimensional para os tipos de armazenamento possiveis tendo em conta o armazenamento de 3kg de Hidrog nio 11 Tabela 19 Armazenamento de hidrog nio 3 kg como refer ncia Tecnolodi Volume Peso Densidade de Armazenamento g m kg wt H2 H gt Comprimido 350bar 0 145 45 6 7 H2 Comprimido 700bar 0 100 50 6 0 He Liquefeito 0 090 40 7 5 Metal hidreto de liberta o 0 055 215 1 4 a baixa temperatura No entanto na tabela o hidreto em quest o trata se de um metal com reduzida densidade de armazenamento energ tico e de liberta o a baixa temperatura o que trbalhando com uma alta temperatura disponivel no navio assiste se a uma dr stica redu o de peso do tanque de hidretos Figura 39 Dep sito de hidrog nio de metais hidretos Mais frente neste documento est presente uma demonstra o de um caso pr tico onde feita uma an lise ao tipo de armazenamento ideal GISELA vcu sum rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 5 4 Consumo de Hidrog nio A discuss o sobre o uso de hidrog nio em motores de combust o com igni o por fa sca j investigado desde o s culo passado contudo o uso em motores de igni o por compress o s nos anos 90 come ou a ser investigado e discutido Um dos pontos mais importantes a ter em conta na queima
18. com necessidades transientes de energia el ctrica a bordo comum a instala o de 2 ou mais geradores auxiliares Desta forma garantido que as necessidades m nimas est o sempre garantidas no entanto exigido ainda que a bordo esteja presente ainda outro gerador de emerg ncia Figura 9 Representa o de um motor gerador mar timo 3 2 3 Caldeiras As caldeiras existem em todos os tipos de navios variando a sua aplicabilidade e por consequ ncia a pot ncia e tipologia associadas Abordo poss vel assistir se instala o de dois tipos de caldeiras as auxiliares e as recuperativas sendo que por vezes podem estar associadas constituindo caldeiras compostas As caldeiras auxiliares s o o tipo de caldeira que apresenta queimador ou seja apresenta consumo de energia prim ria Por sua vez as recuperativas asseguram a recupera o de energia proveniente de gases de escape n o necessitando de queima para gera o de vapor ou aquecimento de gua As caldeiras compostas s o sistemas que aparecem na linha de escape dos motores t rmicos para recupera o de gases no entanto estas apresentam queimador para adi o suplementar de energia t rmica na gera o de vapor As caldeiras podem existir no navio com diferentes objectivos desde o simples aquecimento de guas mas tamb m com o objectivo de gera o de vapor que poder ser utilizado para aquecimento de carga mas tamb m como fluido de trabalho de turb
19. como uma forma de armazenamento de energia sendo ent o este o assunto abordado neste trabalho T A ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 3 3 O Meio Naval Panorama O mercado naval est nos dias de hoje a atravessar uma das suas maiores crises tal como muitas outras ind strias A crescente competi o entre prestadores de servi os e reduzida procura leva a que os armadores fretem os seus navios por valores cada vez mais baixos causando uma asfixia em determinados ramos do meio naval Al m da decrescente procura e crescente competitividade na oferta de fretes aumenta cada vez mais o cerco aos focos de polui o pelo que o consumo de energias com origem f ssil nomeadamente as fontes com origem petrol fera tende cada vez mais a ser prejudicado em prol de energias mais limpas Por exemplo a partir de 2020 qualquer navio que navegue os oceanos n o poder queimar combust veis que apresentem um teor de enxofre superior a 0 50 eliminando desta forma a queima de combust veis residuais que por norma apresentam um valor m nimo de 1 00 Desta forma restar a queima de gas leo mar timo com um teor de enxofre normalmente na casa dos 0 01 facto que representa um enorme acr scimo de custos de explora o para alguns armadores por esta raz o que qualquer forma que possibilite a redu o no consumo directo de gas leo ser
20. completamente aceit veis para 70 de carga os quais rondar o os 240gr kWh valor de refer ncia uma vez que desconhecido o verdadeiro valor de consumo especifico do motor em quest o valor esse que uma demanda de 554kW traduz em 133kg h registando um diferen a de 98 5kg h a menos com esta solu o Pela auditoria realizada ao navio este encontra se com este regime de labora o durante 58 4 dias do ano no m nimo o que equivale a uma poupan a de 137 4 toneladas Se toda esta gest o dos geradores n o for poss vel existe ainda a possibilidade de aplica o do cen rio 3 que se resume a reduzir a carga de um dos geradores em 100kW prejudica o consumo espec fico que cai para 400gr kWh tamb m segundo bibliografia no entanto o consumo absoluto cai em 23 4 kg h 32797 5kg anuais segundo as mesmas condi es Sendo claramente valido o investimento no ciclo COR em qualquer dos casos Na forma como o navio B est estruturado a sua Instala o n o apresenta vantagens no armazenamento de energia por interm dio do hidrog nio Justificada pela falta de rentabilidade apresentada nos electrolisadores esta conclus o surge devido ao facto de existir continuamente demanda de pot ncia el ctrica sendo que teremos sempre um gerador com carga suficiente que se justifique a redu o da sua pot ncia para uso da energia com origem directa do COR Se por outro lado juntarmos a indica o de que num futuro pr ximo os navios ser o severam
21. de um combust vel a rela o estequiom trica ou seja a quantidade de ar por parte que cada combust vel necessitar para reagir e quanto maior for essa rela o mais econ mico se torna um motor Por exemplo a gasolina pura tem uma rela o de 14 7 1 enquanto o diesel ter 14 9 1 tornando esses motores mais econ micos Na tabela seguintes est presente uma compara o entre as propriedades do hidrog nio a ter em conta quando o injectamos num motor em compara o com as propriedades do diesel 13 Tabela 20 Propriedades do diesel e do Hidrog nio inerentes combust o Hidrog nio Diesel Poder Calorifico Inferior MJ kg 120 42 Rela o Estequiom trica 34 3 1 14 9 1 Temperatura de Auto igni o C 571 95 251 35 Velocidade da Chama m s 2 92 0 38 Observando a tabela surge real ada a quantidade de ar que necess ria para que a combust o do hidrog nio aconte a querendo isto dizer partida que uma maior taxa de compress o ser necess ria Existem ent o 3 formas conhecidas de injec o de hidrog nio num motor de combust o interna e Fumiga o do Hidrog nio e Igni o por compress o homog nea e Injec o Directa 5 4 1 Fumiga o do Hidrog nio A fumiga o do hidrog nio ser o m todo mais acess vel para que se consiga consumir hidrog nio em m quinas de combust o interna podendo acontecer de duas formas A primeira forma de fumiga o de hi
22. detiora o Resist ncia a contamina es A combina o dos factos de que tanto a produ o como a utiliza o do hidrog nio a bordo ser feita na forma gasosa vem sugerir de que a ser esta a fase mais conveniente para que o elemento seja armazenado e transportado a bordo dos navios contudo como j foi referido n o a solu o que permite o armazenamento num menor espa o necessitando tamb m de alguma energia para pressuriza o do g s e alta efici ncia no isolamento devido ao tamanho da mol cula do hidrog nio referencialmente estima se que para a compress o do g s se utilize o equivalente a 5 da energia presente no hidrog nio As vantagens principais de se armazenar o hidrog nio como g s comprimido ser o a simplicidade e a inexist ncia de perdas energ ticas com o passar do tempo contudo o m todo que implica maiores cuidados com a seguran a uma vez que se estar a lidar com press es entre 200 e 250bar em aplica es de pequena escala e entre 500 e 600bar para aplica es a uma maior escala Este processo de armazenamento apresenta uma densidade de armazenamento de 6 a 10 wt H T A ISEL E vem a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval wt H 100 M H A densidade de armazenamento calculada tendo em conta a capacidade de armazenamento e o peso do metal hidreto A dificuldade de espa o a bordo vem sugerir a hip
23. dio de uma ponte de Wheatstone completa Na figura ao lado observamos o esquema de uma ponte de Wheatstone completa Esta montagem permite a medi o de uma tens o que varia conforme a tors o do veio ou seja atrav s de uma tens o de excita o e partindo de um estado de repouso a tors o do veio provocado pelo momento torsor devido resist ncia de Figura 15 Ponte de Wheatstone rota o do h lice na gua fara com que as resist ncias completa alterem a sua resistividade desta forma que a tens o de sa da medida ir variar de acordo com o bin rio aplicado no veio Na figura 16 poss vel a visualiza o de uma montagem de um extens metro T A ISEL E vem oe Area Departamental de Engenharia Mecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Figura 16 Montagem de equipamento para medi o de pot ncia ao veio As imagens anteriores foram registadas aquando da instala o de um equipamento para medi o cont nua do bin rio 3 4 3 Registo da Pot ncia El ctrica Produzida A pot ncia el ctrica conseguida atrav s da medi o directa nos pontos de produ o Utilizando transformadores de corrente registada em cont nuo a corrente que atravessa os barramentos sa da dos geradores Medindo a corrente podemos chegar a pot ncia activa de produ o atrav s da seguinte express o P U XI X cos x V3 Conhecendo a tens o da instala o U e atribuindo u
24. jogar com o regime de rota o da turbina que como sabemos poder variar ligeiramente Posto isto a tabela anterior diz nos que o valor de bin rio dever situar se entre os 45N m e 55N m ent o no gr fico seguinte poss vel a verifica o da pot ncia conseguida com a varia o do bin rio dentre deste intervalo ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Pot ncia 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 45 gm 50 55 60 RPM Gr fico 4 Pot ncia e rota o em fun o do bin rio resistente seleccionado Com todas as considera es feitas anteriormente essencial que sejam dadas algumas seguran as fundamentalmente na escolha do bin rio pois ser uma caracter stica que influencia a pot ncia produzida em ltima inst ncia ou seja desconhecendo a efici ncia de trabalho do novo fluido de trabalho na turbina importante que se d uma ligeira toler ncia reduzindo o valor de bin rio para que a resist ncia ao movimento da turbina n o se fa a sentir de tal forma que posteriormente seja necess rio o aumento de caudal originando tens es prejudiciais nas p s da turbina Olhando para o gr fico sugerida a selec o de um gerador com um bin rio que ronde os 45N m pois velocidade de rota o de projecto da turbina 20 000rpm temos uma produ o de 94kW Ta
25. maior devido presen a de um regenerador pois desta forma conseguido um reaproveitamento de alguma energia que o fluido ainda apresenta depois da expans o na turbina al m de que permite reduzir a energia a dissipar no condensador Esta a configura o utilizada pela grande maioria das entidades que t m investido na investiga o deste tipo de sistemas ISEL W ocy o rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 2 2 Hidrog nio O hidrog nio um tema que n o re ne grande consenso dentro dos entusiastas nas v rias mat rias em que aparece Desde a forma como dever ser produzido at forma como dever ser utilizado o assunto hidrog nio tema para longas discuss es 2 2 1 Introdu o O hidrog nio aparece representado pelo s mbolo H em primeiro lugar na tabela peri dica o hidrog nio apresenta se geralmente na sua forma molecular formando o g s diat mico H que altamente inflam vel incolor inodoro n o met lico e insol vel em gua O hidrog nio o elemento com menor densidade o que s por si tr s grandes dificuldades no seu armazenamento O tomo Hidrog nio curiosamente o elemento mais abundante do universo constituindo o em 75 no entanto no seu estado elementar relativamente raro na natureza pelo que industrialmente produzido a partir de hidrocarbonetos presentes no g s natural ou atrav s da electr lise da
26. mol cula da gua H20 O hidrog nio n o aparece no seu estado elementar devido a ser bastante reactivo contudo podemos encontr lo de uma forma simples associado a outros elementos 19 constituindo e Agua e Hidrocarbonetos F sseis o Carv o o Petr leo o G s Natural o leo de Xisto e Substancias Biol gicas o Prote nas o Celulose e Minerais Desta forma ent o l gico que teremos de adicionar energia a um processo para que consigamos obter hidrog nio no seu estado elementar fazendo deste elemento uma fonte energ tica n o prim ria T A ISEL E vem pa rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 2 2 2 Formas de Obten o Embora n o sendo o foco desta disserta o o estudo das formas de obten o de hidrog nio interessante para o leitor o contacto com todas as outras formas de produ o de hidrog nio que n o aquela que ser inteiramente abordada no documento umas economicamente mais importantes que outras Combust veis Fosseis Nos combust veis fosseis hidrocarbonetos podemos encontrar hidrog nio associado a tomos de carbono em diferentes ratios Tabela 1 Ratio de tomos de hidrog nio e carbono de alguns combust veis Substancia Ratio H C Metano 4 Fuel leo Pesado 1 5 1 6 leo de Xisto 1 6 Carv o 0 72 0 92 de forma curiosa que se pode observar o facto de que a substancia m
27. o 6 Figura 3 Esquematiza o de um ciclo org nico de Rankine com regenera o 6 Figura 4 Esquematiza o do processo electr lise s 9 Figura 5 Esquematiza o da tipologia dos navios comerciais 12 Figura 6 Esquematiza o do fluxo que a energia qu mica no navio 14 Figura 7 Representa o de um motor mar timo a dois tempos 15 Figura 8 Representa o de um motor mar timo a quatro tempos com PTO 15 Figura 9 Representa o de um motor gerador mar timo 16 Figura 10 Representa o de uma caldeira eee eeeeeeeeeeeeeeeeeeees 16 Figura 11 Apar ncia de um navio porta contentores Navio A 18 Figura 12 Esquema da linha de abastecimento de combust vel Navio A 19 Figura 13 Apar ncia de um navio petroleiro Navio B 20 Figura 14 Esquema da linha de abastecimento de combust vel Navio B 21 Figura 15 Ponte de Wheatstone completa s sa 23 Figura 16 Montagem de equipamento para medi o de pot ncia ao veio 24 Figura 17 Aquisi o de dados sobre o consumo da m quina principal Navio A Figura 18 Aquisi o de dados sobre a pot ncia transferida ao veio Navio A 25 Figura 19 Aquisi o de dados sobre o a pot ncia produzida no PTO Navio A Figura 20 Diagrama de perdas de um mo
28. o estudo ser baseado em dados instant neos focando se na redu o do consumo por parte dos geradores ou caldeira Os geradores presentes no Kara G seguem tamb m eles a trabalhar a cargas demasiado reduzidas muitas vezes pela obriga o de levar dois geradores ligados a baixas cargas para que se caso exista uma demanda s bita de energia esta n o falte muitas vezes apenas por picos que acontecem devido a arranques simult neos que justifiquem mais 100kW muitas vezes por m gest o da tripula o Nesta situa o a necessidade de um Ciclo Org nico de Rankine torna se flagrante uma vez que possibilitar o aumento da efici ncia de um dos geradores e o desligar do outro dando alguma liberdade de gest o tripula o 2 3 Cen rio Gerador 1 Gerador2 mCOR Gr fico 12 Compara o entre poss veis cen rios para utiliza o da energia el ctrica a bordo No gr fico poss vel verificar se a diferen a entre os dois casos No caso 1 o consumo espec fico dos dois geradores situa se nos 349 2gr kWh e nos 358 4gr kWh o que s o valores significativamente altos proporcionando um consumo de 114 2 kg h e GISELE ey en rea Departamental de Engenharia Mec nica T A ae Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 117 2kg h respectivamente Recorrendo hip tese que o caso 2 possibilita o consumo espec fico de um dos geradores cair para valores que a bibliografia t cnica deste tipo de motores dizem ser
29. observar o conceito b sico de um ciclo de Rankine onde not ria a presen a de uma fonte quente e de uma fonte fria bem como a unidade de produ o de trabalho GISELE ocu Area Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Barrilete Superior Economizador AN i Bomba E o A a i i H an i Barrilete a E 4 Inferior TE Combust vel Obreaquecedor Condensador p Desarejador Reaquecedor Figura 1 Esquematiza o da estrutura de um ciclo de Rankine Em uma an lise mais detalhada podemos verificar a presen a de uma bomba elemento que aparece para pressurizar o fluido de trabalho o qual num Ciclo de Rankine a gua No equipamento a jusante da bomba a gua ir vaporizar retirando calor fonte quente este processo de vaporiza o existe na ind stria sob v rias formas desde caldeiras a simples recuperadores de calor montados em condutas de escape de motores recuperando o potencial t rmico de gases de escape entre outros Neste ponto o vapor poder encontrar se no seu estado saturado ou sobreaquecido dependendo do tipo de turbina na qual ir expandir na turbina que o trabalho produzido ou seja a energia t rmica transformada em energia mec nica e por sua vez se for caso disso el ctrica No escape da turbina a gua dever encontrar se no estado de vapor saturado para que n o
30. os 95 Um outro factor com bastante import ncia na selec o do alternador ser o bin rio resistente a que este estar sujeito uma vez que para atingir uma dada potencia necessitar tanto menos bin rio quanto maior for a rota o sendo que este bin rio ser traduzido recorrendo seguinte express o P T 9550 n No m dulo a desenvolver como j foi referido o objectivo sera alcan ar os 100kW pelo que com uma margem de seguran a dever ser seleccionado um gerador cujo rotor apresente um bin rio resistente apropriado Contudo e devido a algum grau de incerteza quanto ao comportamento da turbina e tratando se de um prot tipo deve ter se em aten o o facto de que o gerador escolhido dever trabalhar numa elevada gama de rota es mais uma vez com consci ncia que ser um procedimento que prejudicar a efici ncia Ent o para a referida situa o teremos Tabela 14 Rela o de pot ncia e rota o em fun o do bin rio ao ot ncia gg 100 120 150 10000 76 4 95 5 114 6 143 3 15000 50 9 63 7 76 4 95 5 20000 38 2 47 8 57 3 71 6 25000 30 6 38 2 45 8 57 3 30000 25 5 31 8 38 2 47 8 A observa o da tabela anterior possibilita uma maior no o sobre o valor do bin rio resistente que o gerador seleccionado dever apresentar para a gama de funcionamento esperado para a turbina pois de uma forma consciente possibilita nos a selec o de um gerador que permita
31. rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Pot ncia kW 300 250 200 150 100 50 0 10 20 30 40 50 60 Produ o de Hidrog nio em fun o da pot ncia m3 h Gr fico 5 Produ o de hidrog nio em fun o da pot ncia seleccionada Nota Volume de produ o obtido s condi es de press o e temperatura de 1atm e 0 C respectivamente A curva que demonstra a pot ncia necess ria em fun o da produ o do electrolisador servir mais frente neste documento para que se possa com consci ncia seleccionar o correspondente sistema melhor gest o a bordo Tendo em conta a densidade do hidrog nio verificada na al nea 4 1 1 poderemos desde j antever que para 82kW teremos uma capacidade de produ o m ssica que rondar os 1 23kg h o equivalente a uma pot ncia de 46kW traduzindo a j referida falta de efici ncia nos geradores de hoje em dia Estes 82kW ser a pot ncia do electrolisador de marcado com a gama de funcionamento mais perto do pretendido Figura 37 Representa o de um electrolisador dispon vel no mercado rea Departamental de Engenharia M P g 57 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 5 3 Armazenamento de Hidrog nio O armazenamento de hidrog nio notoriamente um dos t picos mais importantes quando se aborda o assunto hidrog nio preocupa o justificada pelo as
32. uma velocidade de rota o de 86RPM a seguinte pot ncia 2 XTX z 9rad w T Eri rad s Quec 1171 94 x 9 10554 kWy Seguindo o racioc nio levado a cabo para o navio Navio A temos uma pot ncia nos gases que rondar os 5480kW presentes num caudal de 14kg s Tal como o Navio A o Navio B apresenta tamb m uma caldeira recuperativa a qual apresenta uma capacidade de recupera o de 1000kW CNISEL W Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Com o mesmo coeficiente de 15 de seguran a para perdas como radia o nas tubagens ficaremos com uma pot ncia dispon vel nos gases de escape de 3614 kW a 234 C Na verifica o para que se tenha em aten o a produ o de enxofre o resultado positivo uma vez que os gases de escape deixam o navio a 202 C suficientemente superior aos 180 C tidos como limite T A ISEL Be n a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 4 4 COR Desenvolvimento Neste cap tulo ser o abordados todos os pontos inerentes a constru o de um m dulo COR bem como a forma como o controlo da qualidade da electricidade que ser gerada S o feitas as primeiras considera es para que com um determinado objectivo se tome um princ pio de desenvolvimento a fim de se conseguir o correcto dimensionamento para determinada pot ncia produzida No desenvolvimento do m dulo necess rio apont
33. vista ser o recurso a conversores electr nicos de pot ncia que quando comparados com conversores electromec nicos apresentam as seguintes vantagens e Perdas bastante menores e Consumo significativamente menor e Quase aus ncia de manuten o e Dimens es reduzidas e Custo de montagem E principalmente e Maior facilidade de controlo quanto tens o e frequ ncia de sa da Estes tipos de conversores electr nicos apresentam na sua constru o d odos trans stores e tir stores sendo que a sua aplicabilidade ir variar com o tipo de controlo e pot ncia pretendida Os d odos s o principalmente utilizados na rectifica o de corrente quando o objectivo se trata por exemplo da gera o de corrente alternada e esta ser armazenada numa bateria recorrendo a uma ponte rectificadora de onda completa teremos o seguinte esquema T A ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Vout Di Ds AA F ee AA D D O Figura 29 Ponte rectificadora de onda completa O esquema anterior a representa o de uma ponte rectificadora de onda completa utilizada para conversao da corrente alternada em corrente continua O mesmo principio ser utilizado no m dulo COR a ser desenvolvido No desenvolvimento deste rectificador importante que o leitor tenha no o de que o esquema anteriormente montado traduz um rec
34. 0kW possa ser aplicado mesmo que operando em reduzidas cargas prejudicando o consumo espec fico de cada sistema consumidor ent o aos dois navios tidos como cobaias compensat rio a instala o de um COR Uma vez vi vel a instala o de um sistema e o benef cio que este poder trazer ao mercado com a abordagem individual a cada equipamento e evolu o do ciclo foi ISEL E vem no rea Departamental de Engenharia Mec nica T A ae Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval poss vel perceber se a import ncia que cada equipamento tem na performance deste Objectivando uma pot ncia de produ o e sabendo as condi es das fontes t rmicas dispon veis acess vel a percep o do estado do fluido em cada ponto bem como o caudal de fluido necess rio para que se possa atingir a desejada pot ncia Conclui se tamb m as pot ncias de permuta que os 3 permutadores devem assegurar Durante o trabalho foi tamb m poss vel perceber o porqu do facto de o mercado e principais fabricantes de sistemas semelhantes apostarem no fluido R245fa que embora n o seja o mais eficiente para este tipo de aplica o o mais f cil de trabalhar n o t xico e considerado amigo do ambiente Sobre a transforma o da energia mec nica em energia el ctrica pode se tamb m concluir que devido ao desconhecimento do comportamento da turbina a quando opera o com o R245fa tem de se dar uma certa margem na selec
35. 13 7 38 3643 72 167 53 8 27 R 1270 Propene 42 08 365 57 4 66 2387 36 284 34 1 77 Propyne 40 06 402 38 5 63 2100 54 431 61 1 87 Benzene 78 11 562 05 4 89 1146 72 418 22 0 70 Toluene 92 14 591 75 413 1223 90 399 52 0 21 no seguimento da an lise dos dados anteriores que aparece a possibilidade de utiliza o de um fluido de trabalho denominado por R 245fa ou HFC 245fa Este fluido n o representar a vanguarda das preocupa es ambientais no que diz respeito a GWP no entanto tido como amigo do ambiente e n o t xico apresentando uma das ISEL W ADEM rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 33 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval efici ncias mais elevada segundo Lars J Braz e William M Bibow 2004 autores que procederam ao estudo tabela 10 de diversos e possiveis fluidos 4 Tabela 10 Efici ncias referentes a diferentes fluidos Fluido de Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 Caso 5 Caso 6 Caso 7 Caso 8 Trabalho R11 0 130 0 148 0 136 0 156 0 100 0 120 0 046 0 078 R123 0 123 0 141 0 137 0 157 0 096 0 116 0 047 0 079 R113 0 124 0 142 0 143 0 164 0 097 0 117 0 047 0 078 R114 0 107 0 124 0 126 0 147 0 086 0 105 0 046 0 076 R245fa 0 114 0 131 0 131 0 151 0 091 0 110 0 047 0 078 R236fa 0 098 0 115 0 115 0 135 0 081 0 100 0 047 0 078 Os
36. 70 132 97 0 26 R 125 Pentafluoroethane 120 02 339 17 3 62 1643 89 81 49 1 08 R 134a 1 1 1 2 Tetrafluoroethane 102 03 374 21 4 06 1211 51 155 42 0 39 R 141b 1 1 Dichloro 1 fluoroethane 116 95 477 50 4 21 848 37 215 13 0 00 R 142b 1 Chloro 1 1 difluoroethane 100 50 410 26 4 06 1036 52 185 69 0 00 R 143a 1 1 1 Trifluoroethane 84 04 345 86 3 76 1913 97 124 81 1 49 R 152a 1 1 Difluoroethane 66 05 386 41 4 52 1456 02 249 67 1 14 R 170 Ethane 30 07 305 33 4 87 5264 72 223 43 8 28 R 218 Octafluoropropane 188 02 345 02 2 64 1244 87 58 29 0 45 R 227ea 1 1 1 2 3 3 3 Heptafluoropropane 170 03 375 95 3 00 1013 00 97 14 0 76 R 236ea 1 1 1 2 3 3 Hexafluoropropane 152 04 412 44 3 50 973 69 142 98 0 76 R 245ca 1 1 2 2 3 Pentafluoropropane 134 05 447 57 3 93 1011 26 188 64 0 60 R 245fa 1 1 1 3 3 Pentafluoropropane 134 05 427 20 3 64 980 90 177 08 0 19 HC 270 Cyclopropane 42 08 398 30 5 58 1911 81 366 18 1 54 R 290 Propane 4410 369 83 4 25 2395 46 292 13 0 79 R C318 Octafluorocyclobutane 200 03 388 38 2 78 896 82 93 95 1 05 R 3 1 10 Decafluorobutane 238 03 386 33 2 32 928 83 77 95 1 32 FC 4 1 12 Dodecafluoropentane 288 03 420 56 2 05 884 25 86 11 1 56 R 600 Butane 58 12 425 13 3 80 1965 59 336 82 1 03 R 600a Isobutane 58 12 407 81 3 63 1981 42 303 44 1 03 R 601 Pentane 7215 469 70 3 37 1824 12 349 00 1 51 R 717 Ammonia 17 03 405 40 11 33 3730 71 1064 38 10 48 R 718 Water 18 00 647 10 22 06 1943 17 2391 79 17 78 R 744 Carbon dioxide 44 01 304
37. Enthalpy BTU Ibm Entropy BTU Ibm F Figura 23 Evolugao termodinamica do R245 ao longo do ciclo Nos gr ficos pode ser observada a evolu o termodin mica do fluido de trabalho 4 R245fa ao longo do ciclo de seguida neste documento elaborada uma explica o detalhada de cada um dos pontos e componentes importantes que definem o ciclo termodin mico 4 2 1 1 Sa da do Recuperador Entrada na Turbina Este ser o ponto que definido com objectivo o ciclo o ponto 1 do gr fico presente na figura 23 em cima neste ponto que a partir da troca de energia com um leo t rmico fonte quente ser necess rio apresentar determinadas condi es para que a sa da do evaporador seja poss vel que o R245fa se apresente no estado sobreaquecido 180 C 30bar correspondendo ao valor limite a que o fluido poder ser aquecido e pressurizado 16 Entre a sa da do recuperador e a turbina dever encontrar se um separador de liquido para que se garanta a aus ncia de liquido na turbina 18 z Para efeitos de c lculo considerada a mudan a de estado no evaporador recuperador de calor um processo isob rico tendo consci ncia de que na realidade existir um ligeiro aumento de press o neste equipamento bem como uma queda entre o evaporador e a turbina mais precisamente no dep sito separador de l quido 4 2 1 2 Sa da da Turbina Entrada no Regenerador lado quente No processo entre o ponto 1 e 2 turbina a ene
38. ISEL INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA AREA DEPARTAMENTAL DE ENGENHERIA MEC NICA Aplica o de um Ciclo Org nico de Rankine Ind stria Naval Jo o Manuel Bento Correia Licenciado em Engenharia Mec nica Trabalho Final de Mestrado para obten o de grau de Mestre em Engenharia Mec nica Orientadores Prof Doutor Jorge Mendon a e Costa Prof Doutor Jorge Manuel Antunes J ri Prof Doutor Rui Pedro Chedas Sampaio Prof Jo o Monteiro Marques Dezembro de 2014 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Agradecimentos no culminar de uma t o importante etapa carregando o sentimento de dever cumprido hora de agradecer a todos que tornaram poss vel o desenvolvimento do presente trabalho carregado de orgulho por me rodearem que a todos aqueles que depositaram depositam e continuar o a depositar em mim toda a confian a do mundo quero agradecer Ao orientador Jorge Mendon a e Costa gostaria de agradecer n o s pelo apoio prestado mas principalmente pela hip tese de conhecer uma equipa fant stica a TecnoVeritas liderada pelo Engenheiro Jorge Antunes co orientador deste trabalho e hoje meu amigo a quem agrade o tamb m todo o apoio e confian a Sem esquecer a restante equipa a quem tamb m direcciono um importante agradecimento Aos meus pais que sempre estiveram presentes que sempre me incentivaram dia ap s dia A eles que sempre partilham com orgulho dos m
39. ais favor vel produ o de Hidrog nio e o metano que por sua vez o composto principal do g s natural Para que aconte a a separa o do hidrog nio no metano usado uma metodologia designada por Reformula o do Metano que consiste numa serie de reac es qu micas envolvendo o metano vapor um catalisador e calor Efectivamente o Hidrog nio retirado tanto do metano como da gua pelo que os elementos sobrantes se dissipam na forma de CO Esta tecnologia apenas apresenta 70 de efici ncia Tamb m com origem em combust veis fosseis mas n o com um ratio H C t o interessante como no metano no entanto economicamente bastante promissora aparece o hidrog nio com base no carv o pelo que a Gasifica o do Carv o vista como uma das tecnologias chave para a implementa o do hidrog nio ainda este s culo Electr lise Esta a tecnologia mais conhecida pois abordada desde tenra idade nas escolas preparat rias contudo pouco tem evolu do muito devido ao limitado interesse econ mico A electr lise consiste no processo da separa o da mol cula da gua por interm dio da aplica o de corrente el ctrica que origina um curto circuito elevando as T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval temperaturas para mais de 1000 C o que provoca a separa o da mol cula da gua Neste processo teremos ent o a produ o de Hidrog nio e Oxig nio Em baixo pode se
40. ais consumidores M E Main Engine e A E Auxiliar Engine duas caldeiras auxiliares que fazem parte da instala o de carga em que geram vapor respons vel por accionar as turbinas das bombas de carga Figura 13 Apar ncia de um navio petroleiro Navio B Neste navio para al m da propuls o grande parte da energia qu mica consumida para efeito de descarga da carga transportada ou seja tamb m em porto este tipo de navio necessita de grande disponibilidade energ tica Este facto sugere que se torna atractivo a produ o de hidrog nio durante a viagem recorrendo recupera o da energia t rmica dissipada pela m quina principal e geradores ISEL Re DEM P g 20 85 rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Line A M E supply line gt Line C A B supply line HFO Serv Tank Figura 14 Esquema da linha de abastecimento de combust vel Navio B De uma forma sucinta podemos resumir a gest o energ tica efectuada a bordo do Navio B da seguinte forma Tabela 6 Caracteriza o da gest o energ tica Navio B Em Porto Em Manobra Em Mar aberto M quina Principal X X Gerador 1 X X X Gerador 2 X X X Gerador 3 X Caldeira Recuperativa X Caldeira Auxiliar X ISEL INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LIS T A We en BOA rea Departamental de Engenharia Mec nica P
41. ando o poder calorifico inferior que vem no certificado 41 050 kJ kg aferida uma pot ncia m dia de consumo a rondar os 22122kW 7 GISELE oem rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 28 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Pot ncia Produzida A pot ncia produzida pelo motor principal no caso do Navio B aparece apenas sob a forma de pot ncia mec nica que entregue ao h lice pois neste navio n o existe PTO ou qualquer caixa redutora Para se aferir a pot ncia produzida utilizado um equipamento que tamb m recorrendo extensometria devolve o bin rio a que o veio est sujeito 2000000 00 1500000 00 Nil i i ii inp l m Win 1000000 00 HAAN lil A i ai 0 00 M wilt mn l iN i ly il li i ini mM i Di ii ne mi idl ali AMTON DAK ANMNDONWOKTAYTNORDOKrMTNODMOrMYTMNORABROAMNYTONRADSH TITS TTT MOMNMOMMSeeeSSSeSrnrmrnnnnrnmrNNNNNnnv2IN2RN2nNas LO LO LO 19 19 LD DDD 16 O 19 19 15 O O O O O OD O CO O R CO ECR CO OD E CO O O CO O O CO DO CO O O CO CO O CO O O as E as a ab aS a a E a a a a a a a a a a a a a a a ee a a ag SO0C00000000000000000000000000000000000000000000 Figura 21 Aquisi o de bin rio Navio B Tm dio 1171 94 kN m Nota A grande amplitude do sinal adquirido no tempo 1 minuto deve se exist ncia de vibra es torsionais a que o veio est sujeito neste regime Temos ent o para
42. ar para uma determinada pot ncia m xima de recupera o para que seja poss vel o correcto dimensionamento dos equipamentos constituintes bem como o correcto comportamento do ciclo termodin mico Atrav s desta pot ncia ser poss vel aferir temperaturas de funcionamento prevendo tamb m a evolu o do fluido de trabalho ao longo do ciclo Ser considerada ent o uma pot ncia t rmica recuper vel de 500 kW nos gases de escape pot ncia que ter sido comprovada como poss vel de se recuperar no cap tulo anterior T A ISEL E vem oom Area Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 4 1 Fluido de Trabalho Nos ltimos anos a recupera o de energia a partir de efluentes t rmicos de baixa temperatura tem ganho alguma express o pelo que os ciclos org nicos de Rankine oferecem um meio efectivo de viabilizar a produ o de energia el ctrica neste facto que assenta a principal diferen a em rela o a um convencional ciclo de Rankine que apresenta como fluido de trabalho a gua necessitando de fontes t rmicas com muito maior temperatura No entanto para que um ciclo Org nico de Rankine COR explore a sua principal vantagem necessita de contar com um fluido de trabalho pr prio com determinadas caracter sticas Como ser f cil de perceber a escolha do fluido de trabalho dever obedecer a determinados crit rios tendo sempre em conta a capacidade de conser
43. bela 15 Pot ncia em fun o da rota o para um determinado bin rio Bin rio RPM 10000 15000 20000 25000 30000 45N m Pot ncia kW 47 11 94 118 141 ent o prefer vel seleccionar um gerador com um bin rio resistente baixo e caso seja necess rio aumentar posteriormente o caudal de fluido de trabalho para aumentar a pot ncia do que a exig ncia de um caudal maior para que seja simplesmente poss vel rodar a turbina sujeitando todo o conjunto a tens es desnecess rias Conclu do o gerador de 100kW seleccionado apresentar uma efici ncia que rondar os 95 T A cae Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 4 5 2 Regula o da corrente produzida Para que se consiga utilizar a energia produzida no m dulo COR esta deve obedecer a determinados par metros de qualidade esta qualidade garantir a capacidade de consumo e preserva o dos equipamentos consumidores Devendo se ent o prestar aten o s seguintes propriedades da energia produzida 21 e Frequ ncia e Tens o e Harmonicas Como j foi referido o regime de rota o do rotor n o ser constante variando em larga escala de acordo com a disponibilidade energ tica presente no fluido de trabalho do m dulo pelo que ser necess rio a montagem de um dispositivo que nos garanta uma corrente com determinada frequ ncia 50 60Hz e uma tens o de 400V x Para atingir estes objectivos a solu o a
44. bela peri dica cerca de 50 elementos que poder o funcionar como hidreto uns de uma forma mais eficiente que outros apresentando vantagens e desvantagens que de uma forma resumida podem ser descritas em capacidade de armazenamento peso taxa de liberta o e temperatura necess ria para a liberta o Segundo a ltima publica o da Ag ncia Internacional de Energia IEA para sistemas de armazenamento em estado s lido devem ser considerados dois grupos importantes de metais hidretos os alum nios e os boros 11 Tabela 17 Propriedades chave dos hidretos com base Alum nica fonte IEA Tipo Densidade de Armazenamento Temperatura de wt H2 Liberta o C LiAIH 10 6 190 NaAlH 7 5 100 Mg AlHa 9 3 140 Ca AlH 7 8 gt 230 GISELE oem um Area Departamental de Engenharia Mecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Tabela 18 Propriedades chave dos hidretos com base B rica fonte IEA Ti Densidade de Armazenamento Temperatura de ipo p wt H2 Liberta o C LIBH 18 5 300 NaBH 10 6 350 KBH 7 4 125 Be BH4 2 20 8 125 Mg BH14 2 14 9 320 Ca BH gt 11 6 260 Observando a tabela anterior pode ser afirmado que em qualquer dos casos a temperatura de deser o pode ser atingida existindo calor suficiente na grande maioria dos navios para que a este processo se possa fornecer a energia t rmica necess ria importante referir qu
45. caudal de combust vel kg h que alimenta o motor A pot ncia de alimenta o conseguida atrav s da seguinte express o Qin m x PCI O PCI poder calorifico inferior energia til por massa de combust vel kWh ton que este apresenta este valor varia conforme o tipo de combust vel em quest o e um valor que conseguido atrav s da observa o do certificado de combust vel recebido pelo navio em cada opera o de abastecimento Na aus ncia deste dado utilizado um valor de refer ncia para cada tipo de combust vel tabela 7 T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Tabela 7 Caracterizagao do poder calorifica de HFO e Diesel maritimo PCI Fuel leo pesado 40500 kJ kg Diesel leo Mar timo 42000 kJ kg 3 4 2 Registo da Pot ncia Mec nica Produzida A pot ncia mec nica fornecida ao veio do navio talvez das vari veis necess rias a que mais complica o apresenta Para medir a pot ncia ter sido necess rio instalar um sistema para medi o de bin rio e rota o para que posteriormente se tivesse acesso a pot ncia uma vez que a pot ncia resultante do seguinte produto Qmec out TX W Verifica se ent o que a pot ncia fornecida ao veio kW o produto resultante entre o bin rio T e a velocidade angular de rota o do veio w A velocidade de rota o conhecida e o bin rio ser ent o obtido com recurso extensometria por interm
46. ce ae 7 2D Ve MO O O cana doa Nes see Reed ad e Oh ed ele iad Nee 7 2 2 2 Formas de Obten o erie aie ad Maaco Nene eed ees 8 22d State OF TNO AR sanar cave tea aackuces tg ee E EREET 10 3 O Meio Naval Panorama ere tiat tea e aaiae a atia taatai 11 3 12 Tipologia S enet RR a e a ea aa RR RO RU 12 3 1 1 Navio Petroleiro eesooneennneeeeeeooeeenrrnrrrererrnrrnnrrserrenrrnnnreerrrenne 13 3 1 2 Navio Porta Contentores aa 13 3 2 Sistemas Consumidores cc eeeeeeeeeeeeee eee eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeseseeeeeeeenes 14 32 1 M quina PRINCI Al ss doc edary des atiet eataa e dte dona tdo 15 3 2 2 Geradores Auxiliares pe spregasmsaotiseagaes dades irene teanvecetseldenateonmecaveseees 16 3237 Caldeira USP RR RR RP CENTO POD a RR e 16 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval B73 Casos de ESO sims sato Aes tee be tbh eaves ade the a DES a a A 17 3 3 1 Navio A Porta Contentores a 17 3 3 2 NAVIO B POINGICIO i eile eel eet Raia ee he eee 20 3 4 Aquisi o de dados reais seen 22 3 4 1 Registo da Pot ncia Consumida 22 3 4 2 Registo da Pot ncia Mec nica Produzida 23 3 4 3 Registo da Pot ncia El ctrica Produzida 24 3 5 Verifica o de Dados a aa a oe 24 3 5 1 Dados NAVIO Asia SUAR dn 24 3 5 2 Dados NAVIO O sr a Gd orceaveataseteeesates en
47. ciclo org nico de Rankine 150 15 C 74 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Tabela 24 Efici ncia do COR 150 15 C ceeecseeeeeeececeeeeeeneeeeeeeceeeeeeeeeeeeeee 74 Tabela 25 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine 105 15 C 74 Tabela 24 Efici ncia do COR 105 15 C a 74 Tabela 27 Poupan as considerando consumo el ctrico ou de hidrog nio 77 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Indice de Graficos Grafico 1 Evolugao termodinamica do fluido no diagrama Ph tendo em conta o rendimento isentr pico da turbina eee eeeeeeeeaaeeeeeeeeeeeeensaaeaeeeeeeeeeenaa 38 Gr fico 2 Evolu o gr fica dos est gios de flu ncia que turbina est sujeite no SOL Pe MOOG Melle sete Soca donee tie UPN RNP DEPENDE RDPI DU ND NINE DAP RPE DAR 41 Gr fico 2 Representa o do rendimento isentr pico da turbina 44 Gr fico 4 Pot ncia e rota o em fun o do bin rio resistente seleccionado 48 Gr fico 5 Produ o de hidrog nio em fun o da pot ncia seleccionada 57 Gr fico 6 Densidade de armazenamento energ tico em fun o da temperatura e pr ssao aplicada ecen RR UR RR RD RAN e memes 62 Gr fico 7 Evolu o termodin mica do fluido no diagrama Ph tendo em conta o rendimento isentr pico da turbina n eee eeeeeeeaeeeeeeeeeeeeeencaaeaeeeeeeeeeenaa 70 Gr fic
48. considera es feitas que ser o semelhantes nos m dulos preparados para uma produ o de 100kW independente do navio em quest o restando o dimensionamento e forma de armazenamento que depender ent o do navio Para um correcto dimensionamento e selec o do modo como o Hidrog nio ir ser armazenado em cada navio necess rio ir mais uma vez de encontro forma como a energia est dispon vel a bordo 6 1 Projecto de 100kW Como j foi descrito anteriormente v rias considera es tiveram de ser feitas para chegar a um correcto dimensionamento do ciclo com base nas temperaturas de fonte quente e fonte fria 180 C e 15 C s o nesta al nea justificados na pr tica o valor de press o e temperatura em cada ponto do ciclo 100 T 0C 15 30 45 60 p5 90 105 120 13 30 20 Press o bar 1 02 03 04 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 100 200 300 400 500 600 700 Entalpia kJ kg Gr fico 7 Evolu o termodin mica do fluido no diagrama Ph tendo em conta o rendimento isentr pico da turbina Marcando o ponto 1 tido como objectivo correspondente a uma press o de 30 bar e 180 C considerando uma efici ncia da turbina de 80 poderemos ent o tra ar uma linha representativa de uma evolu o isentr pica 1 2 sabendo que a press o entrada muro SUPERIOR Me pen Pag 70 85 lecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval do regenerador rondara o 1 05 bar iden
49. dadas bem como a compreens o do meio em que estas ser o aplicadas foram atingidos os seguintes objectivos e Compreens o do balan o de energia que acontece num navio compreendendo os valores de consumo e rendimentos inerentes aos sistemas presentes a bordo bem como a gest o que feita dos mesmos e Foi entendida a melhor forma de aplica o de um Ciclo Org nico de Rankine e a sua constru o e Compreendeu se a evolu o termodin mica do fluido de trabalho ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval e Percebeu se a forma como o rendimento do ciclo afectado com as temperaturas inerentes ao funcionamento a fonte quente e a fonte fria e Sobre a utiliza o do hidrog nio a bordo foi estudada e percebida toda a din mica de produ o armazenamento e consumo deste g s e Ainda sobre a aplicabilidade do hidrog nio compreendeu se a real vantagem no mercado naval No final pode dizer se que a todos os objectivos propostos inicialmente foram alcan ados com excep o da aplica o experimental que n o obteve desenvolvimentos em tempo til de acordo com a data limite de entrega deste trabalho sugerindo se que seja um dos objectivos de um trabalho futuro 7 4 Futuros trabalhos Como j foi referido o presente trabalho permitiu ao autor uma abordagem geral sob o ponto de vista energ tico de um navio com o objectiv
50. das diversas miss es espaciais tem origem neste m todo Contudo devido crescente procura do hidrog nio e escassez do metano este n o um m todo tido como vi vel para um futuro sustent vel Por sua vez pela gasifica o do carv o que o hidrog nio ganha sustentabilidade na voz dos cr ticos no entanto com o seu desenvolvimento hipotecado uma vez que os esfor os dos departamentos de I amp D dos grandes grupos t m se focado na produ o de metano para substitui o do G s Natural Quanto ao processo Electr lise que at recentemente n o ter tido grande interesse e viabilidade econ mica encontra se agora no foco de todos os grandes fabricantes de autom veis quando abordam o tema Hidrog nio pois as famosas fuel cells n o s o mais que electrolisadores funcionando num modo revers vel Hoje em dia os Electrolisadores dispon veis no mercado apresentam efici ncias na ordem dos 70 o que recorrendo a electricidade da rede ou com origem f ssil se torna um processo economicamente invi vel ou seja e tomando como exemplo electricidade proveniente de uma central termoel ctrica que considerando um ciclo combinado apresenta actualmente um rendimento que ronda os 60 temos ent o um processo com um rendimento global de 42 Pelo que o recurso electr lise hoje em dia bem visto quando tratamos de fontes de energia el ctrica renov veis ou dissipadas at ent o uma vez que o hidrog nio tamb m considerado
51. de injec o diesel foi mantido e a injec o de hidrog nio controlada electronicamente ADEM P g 68 85 Area Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 6 6 Casos Praticos Desde o inicio do presente trabalho que o seu objectivo se trata da constru o e correcto dimensionamento de um Ciclo Org nico de Rankine para produ o de electricidade a bordo e por acr scimo sempre que exista a impossibilidade de consumo dessa energia ent o sim o armazenamento da mesma na sua forma qu mica nomeadamente em hidrog nio por electr lise da gua Neste cap tulo ser demonstrada ent o a ordem l gica das considera es a serem feitas para o dimensionamento do ciclo e utiliza o da energia resultante a Energia Energia Ciclo Organica de El ctrica Outros eta Rankine Rn Consumidores T rmica Efici ncia 21 1 Efici ncia 95 Energia Caldeira El ctrica Electr lise Armazenamento Efici ncia 56 Geradores Figura 42 Fluxo de energia Recupera o Consumo Re DEM dad rea Departamental de Engenharia Mec nica i30 E ISEL Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval A imagem 42 vem mostrar o resultado de todas as considera es feitas nos t picos anteriores nomeadamente no dimensionamento e efici ncia do m dulo COR selec o e efici ncia do gerador selec o e efici ncia do electrolisador Estas s o as
52. de trabalho necess rio seguir determinados GISELA ocy rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval crit rios de selec o De acordo com H Chen D Y Goswami e Elias K Stefanakos 2010 teremos os seguintes crit rios a respeitar Termodin mica e Propriedades f sicas Tipo de Fluido Influ ncia do calor latente densidade e calor espec fico Efici ncia de Sobreaquecimento Pontos cr ticos do fluido Estabilidade e compatibilidade com os materiais Aspectos ambientais Seguran a Viabilidade e Custos No mesmo estudo os autores tendo em conta os pontos em cima mencionados resumiram 35 diferentes fluidos que poderiam ser utlizados em ciclos org nicos de Rankine 3 Tabela 9 Propriedades de fluidos SHRAE number Name Molecular weight Te K P MPa Vapor Cp J kg K Latent heat L kJ kg E J kg K R 21 Dichlorofluoromethane 102 92 451 48 5 18 339 85 216 17 0 78 R 22 Chlorodifluoromethane 86 47 369 30 4 99 1069 13 158 46 1 33 R 23 Trifluoromethane 70 01 299 29 4 83 3884 02 89 69 6 49 R 32 Difluoromethane 52 02 351 26 5 78 2301 61 218 59 4 33 R 41 Fluoromethane 34 03 317 28 5 90 3384 66 270 04 7 20 R 116 Hexafluoroethane 138 01 293 03 3 05 4877 91 30 69 5 54 R 123 2 2 Dichloro 1 1 1 trifluoroethane 152 93 456 83 3 66 738 51 161 82 0 26 R 124 2 Chloro 1 1 1 2 tetrafluoroethane 136 48 395 43 3 62 908
53. do da saida da turbina 6 O ciclo pretendido pode ser representado atrav s do esquema presente na seguinte figura Diaphragm Regenerator Condenser Figura 22 Caracteriza o de um Ciclo Org nico de Rankine Tabela 11 Designa o dos pontos em an lise no Ciclo Org nico de Rankine Ponto Designa o 1 A Sa da do Evaporador Entrada no separador de l quido 1 B Entrada na Turbina Sa da do separador de l quido 2 Sa da da Turbina Entrada do Regenerador Lado Quente 3 Sa da do Regenerador Lado Quente 4 A Sa da do Condensador Entrada no Tanque 4 B Entrada na Bomba de Circula o Sa da do Tanque 5 Entrada no Regenerador Lado Frio 6 Entrada no Recuperador Sa da do Regenerador Lado Frio Na tabela anterior est presente a descri o correspondente a cada ponto De seguida feita uma an lise pormenorizada aos elementos do ciclo bem como ao seu comportamento termodin mico GISELE oem ue Area Departamental de Engenharia Mecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 4 2 1 Analise Termodinamica Como n o poderia deixar de ser o ciclo org nico de Rankine apresenta em toda a sua configura o semelhan as com o ciclo que lhe deu origem o Ciclo de Rankine facto que pode ser observado na figura 23 1000 100 Pressure psia Temperature F 50 100 150 200 250 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50
54. drog nio surge injectando hidrog nio no ISEL W pru a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval colector de ar de admiss o a uma press o pouco superior atmosf rica sendo que a segunda forma ser atrav s do canal de admiss o injectando enquanto a v lvula de admiss o est aberta e a v lvula de escape est fechada O primeiro m todo o mais eficaz no que diz respeito ao uso do hidrog nio uma vez que n o existe injec o do g s durante o per odo de cruzamento de v lvulas sem que este se perca com o escape S o ent o uma forma de utiliza o de hidrog nio simples de implementar recorrendo a press es relativamente modestas contudo com alguns problemas a serem associados e Risco de explos es no colector de ar e Perda de pot ncia devido ao deslocamento do ar de admiss o e Fuga de hidrog nio pelos gases de escape 5 4 2 Igni o por compress o homog nea Este m todo conseguindo usando um r cio de compress o elevada para que a temperatura final da compress o seja suficiente para inflamar o g s injectado na camara de combust o Nesta solu o o hidrog nio injectado apenas durante a compress o mais uma vez tamb m que se evite a perda de hidrog nio pelo escape Esta solu o n o sendo de controlo t o simples acarreta tamb m problemas ao n vel do controlo e possibilidade de explos es fora de tempo Al m destes p
55. e a oportunidade de efectuar o registo de in meras vari veis abordo de diferentes navios pelo que dado a conhecer ao leitor o potencial t cnico econ mico para navios dos tipos petroleiro e porta contentores os navios visitados e tomados como poss veis instala es hospedeiras 3 1 1 Navio Petroleiro Ya O navio petroleiro normalmente classificado de duas formas por produto transportado bem como por porte sendo a segunda forma a mais comum Tabela 2 Classifica o de navios petroleiros Classifica o por Classifica o por Produto Tamanho Crude Handysize Produtos Limpos Panamax Produtos Sujos Aframax Suezmax VLCC ULCC VLCC Very Large Crude Carrier ULCC Ultra Large Crude Carrier 3 1 2 Navio Porta Contentores Os navios Porta Contentores tal como o nome indica sao navios cuja funcionalidade o transporte de contentores com os mais diversos bem materiais A sua classifica o pode ser visualizada na seguinte tabela Tabela 3 Classifica o de navios porta contentores Tipo Capacidade Feeder 100 449 Feedermax 500 999 Handy 1 000 1 999 Sub Panamax 2 000 2 999 Panamax 3 000 4 500 Post Panamax gt 4 500 GISELE oem rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 13 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 3 2 Sistemas Consumidores Logicamente uma in mera variedade de navios apresenta
56. e este tipo de solu o de armazenamento no processo de liberta o permite jogar entre temperatura necess ria e press o a que o metal se encontra 100 o Absorphon SOC 7 oC N 4 N 47 C N ao 27 SOC 604 Pressure bar L 40 a N27 0 1 4 Desorption y 0 0L 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 2 1 4 Storage Capacity wt Gr fico 6 Densidade de armazenamento energ tico em fun o da temperatura e press o aplicada Outra considera o que se deve ter aquando da selec o deste tipo de armazenamento o facto de que estes hidretos poderem sofrer alguma desactiva o devido a impurezas i30 E W ISEL ADEM P g 62 85 rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Podemos entao verificar algumas vantagens de um sistema de armazenamento atrav s de hidretos e Alta densidade de armazenamento e Facilidade de liberta o do Hidrog nio com baixa temperatura e Paragem r pida e Flexibilidade no tamanho do tanque e Materiais de constru o com elevada disponibilidade Quando comparamos esta forma de armazenamento com os outros dois teremos e Menor volume e Menor press o processo bastante mais eficiente e mais seguro e Hidrog nio mais puro Concluindo esta an lise sobre as v rias formas de
57. electrolisador atrair o Hidrog nio prot o e o nodo atrair o Oxig nio electr o como pode ser melhor entendido observando a figura a baixo C todo Baeta Anodo Figura 35 Explica o esquem tica de um electrolisador Contudo importante ter se a no o que num recipiente do g nero do da figura ser de todo imposs vel separar o hidrog nio e o oxig nio formando um composto gasoso designado por HHO n o o dito hidrog nio livre Este ser o g s mais acess vel de se retirar da electr lise da gua no entanto n o o mais seguro pois como do conhecimento geral para termos combust o s o necess rias os 3 elementos combust vel comburente e fonte de calor pelo que recorrendo ao HHO apenas ficar a faltar a fonte de calor revelando assim um elevado n vel de perigo Juntando ainda o facto de que o objectivo deste combust vel pretendido o hidrog nio ser a injec o numa m quina t rmica essa fonte de calor ser f cil de encontrar aumentando ainda mais o n vel de perigo GISELE oem nu rea Departamental de Engenharia Mec nica T A cae Ciclo Organico de Rankine Aplicagao ao Sector Naval Com o recurso ao HHO tamb m o controlo e efici ncia da combust o na camara de combust o de um motor fica limitado pois durante a injec o parte deste gas poder inflamar se quando em contacto com res duos t rmicos de ciclos anteriores por exemp
58. emae a enne 28 4 COR D SENVOIVIMENTO cccccccceeeeceeeeeeeeeeeeeeaeeeeeeeeeeeeeeeeneeseeaeaeeeeeaeeeeeenegeeeetes 31 4 1 Fluido de Trabalho Cn E O ad o 32 4 2 Constitui o e caracteriza o do Ciclo 34 4 2 1 An lise Termodin mica a 36 4 2 2 Considera es de Projecto 38 de OT 01A e E O O O O a as 39 4 3 1 Considera es Mec nicas e Estruturais 40 4 3 2 Evolu o n o ASENTr pICA asse SRA 43 4 4 Permutadores sa o ehh oak ee eee eee reeet 44 4 5 Gera o de Energia El6ctrica cccccccceeeeeeeeeseceeeeeeeeeeeensnseeeeeeeees 46 AB Geradot epeei iae eae RR PR RR gien tes 46 4 5 2 Regula o da corrente produZida cccccccccccccccceceeeeeeeeeeeeeees 49 5 Hidrog nio aplicabilidade 2i44 5 0e te eae ale tae eee ee ee te 53 5 1 Associar o Hidrog nio x ieiiens des aca edaniaar ben aceesa dann tdergacebseateatielbacnteaees 53 5 1 1 Caracteriza o do Hidrog nio ass 53 5 2 Produ o de Hidrog nio sssseeesooesenernerrsorerterrnnrrsererrnnrnnnresrrrnnne 54 5 21 SEIGCUOUSES erra eere paaa AET EE Areria 55 5 2 2 Caracteriza o do Electrolisador 56 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 5 3 Armazenamento de HidrOgenio cccceeeeesesecceeeeeeeeeeeeesseeeeeeeeees 58 5 4 Consumo de Hidrog nio ess
59. ente taxados de acordo com o n vel de emiss es que estes est o a libertar para o meio ambiente a queima e armazenamento de hidrog nio poder voltar a fazer sentido uma vez que a combust o de hidrog nio considerada uma reac o cujas emiss es nocivas para o ambiente perto de zero Este cen rio especialmente atractivo quando o navio est em porto onde a emiss o carb nica mais elevada e controlada pelas autoridades T A ISEL E vem som Area Departamental de Engenharia Mecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 7 7 Conclus es e Perspectivas Neste cap tulo s o expostas as principais conclus es em forma de aprendizagem com o trabalho desenvolvido De uma forma resumida s o expressas as ideias gerais que a pesquisa inerente permitiu gerar bem como sugest es para desenvolvimentos futuros 7 1 Conclus es gerais Seguindo o objectivo principal que seria verificar a aplica o de um Ciclo Org nico de Rankine a bordo de um navio conseguiu se com o presente trabalho ter uma no o do que se pode esperar quando abordamos o tema aplicado ind stria naval Construiu se uma no o dos cuidados a ter para que todos os subsistemas funcionem em conjunto resultando no final em redu o de consumos energ ticos que s o por sua vez dispendiosos Numa an lise inicial concluiu se que n o dif cil encontrar um navio de opera o consider vel onde um m dulo de 10
60. er considerada uma forma de rectifica o para que a corrente apresente qualidade suficiente e para que a energia possa ser consumida pelos demais equipamentos presentes no navio especialmente pelo electrolisador equipamento que ser visto como priorit rio no que diz respeito ao consumo da energia produzida atrav s do m dulo COR 4 5 1 Gerador Na selec o do gerador ser necess rio ter em conta alguns aspectos importantes e Velocidade de Rota o e Pot ncia M xima Produzida e Bin rio e Sincronismo e N mero de Polos e Dimens es Para an lise dos pontos anteriormente mencionados deve se ter ent o no o do princ pio de funcionamento do gerador ou neste caso alternador uma vez que ser tido como objectivo a gera o de corrente alternada conhecida a rela o entre a frequ ncia da tens o produzida e a velocidade de rota o do rotor A frequ ncia ser o produto entre o n mero de pares de polos P e o n mero de rota es por minuto Uma vez que os pares de polos ser o constantes f cil ser concluir que a frequ ncia ir depender da velocidade de rota o da pr pria turbina ISEL E oem a rea Departamental de Engenharia Mec nica T A cae Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval O rendimento sera tamb m muito importante sendo que este sera tanto maior quanto maior a pot ncia do motor ou gerador O valor de rendimento para um gerador de 100kW ronda actualmente
61. ere 65 5 4 1 Fumiga o do Hidrog nio a 65 5 4 2 Igni o por compress o NOMOGENEA cccceeeecceeeceeeeeeeeeeeeeeeeeees 66 5 4 3 Injec o directa Edi ianga reed io Monies FARM eden ace accuses ana n O RUE a 66 et ASO Srl CO See aN DO A A O ele ad dei 69 6 1 Projecto de TOOKW E ara iarh ecco ase ence eee ee as 70 6 2 Varia o de paramelrOss sa cae een o ada Sa ad aa 72 6 2 1 Varia o da fonte fria 73 6 2 2 Varia o da fonte quente ra 74 6 3 Navio Caso pr tico nn neseseeaneaaaaa 75 6 4 Navio B Caso pr tico sa sa RA clades A Regie eee 78 7 Conclus es e Perspectivas cccccecceeeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeeseecaaaaeeeeeeeeeeseesaaaeeeeeees 80 7 1 Conclus es QOralS cits Aarne ade eee dE de is 80 7 2 Principais dificuldades essere 81 7 3 Objectivos atingidos a ed a ae 82 7 4 Futuros PAO ANOS larissa ec Ae aks a Ea a RE 83 8 4 Referencias a A SRA ae er err sa Pee o a Aree Rea 84 8 1 Lista de Comunicados sia qe hci oe ec eta coa Edi a a Gases 84 doe OUNASODAS E E DR A a es 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval XI Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Indice de Figuras Figura 1 Esquematiza o da estrutura de um ciclo de Rankine 5 Figura 2 Esquematiza o de um ciclo org nico de Rankine sem regenera
62. eus momentos bons ou maus A restante fam lia que sempre acredita em mim e me faz acreditar Em especial ao meu av Jo o que sempre me mostrou que o importante querer e que o nosso caminho tra amo lo n s A ele que n o me deixa desviar daquilo em que acredito Jo o Correia Dezembro 2014 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Resumo Actualmente o universo dos meios de transporte de pessoas e mercadorias est a atravessar uma fase de transforma o no que toca fonte de energia que os fazem mover Durante o s culo XX os combust veis derivados de petr leo ganharam um peso significativo praticamente total no que toca locomo o de meios de transporte Facto que ao que tudo indica ser diferente j desde o in cio deste s culo XXI Empresa experiente no meio naval sector que n o alheio a esta transforma o a TecnoVeritas conhecendo as necessidades do meio veio a propor ao autor a participa o no desenvolvimento de um Ciclo Org nico de Rankine destinado instala o a bordo de navios Os navios s o como grande maioria das m quinas t rmicas uma fonte de desperd cio energ tico dissipando grandes quantidades de energia t rmica pass vel de ser recuperada atrav s de um Ciclo Org nico de Rankine que transforma a energia t rmica dissipada em energia el ctrica til Na grande maioria dos navios existentes
63. ew of termodynamic cycles and working fluids for the conversion of low grade heat 2010 4 Lars J Brasz William M Bilbow Ranking of Working Fluids for Organic Rankine Cycle Applications 2004 5 Bahaa Saleh1 Gerald Koglbauer Martin Wendland Johann Fischer Working fluids for low temperature organic Rankine cycles 2005 6 Sylvain Quoili MartiinVanDenBroek Sebastien Declaye PierreDewallef a VincentLemort Techno economic survey of Organic Rankine Cycle ORC systems 2013 ISEL W vcm u Area Departamental de Engenharia Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 7 Gary J Zyhowski Andrew P Brown Abdennacer Achaichia HFC 245fa Working Fluid in Organic Rankine Cycle A Safe and Economic Way to Generate Electricity from Waste Heat 2010 8 Yiping Dai Jiangfeng Wang Lin Gao Parametric optimization and comparative study of organic Rankine cycle ORC for low grade waste heat recovery 9 Jamal Nouman Master of Science Thesis Comparative studies and analyses of working fluids for Organic Rankine Cycles ORC 2012 10 Bragi rnason Fj la J nsd ttir and Hj lmt r Hafsteinsson Light Metal Alloys for Hydrogen Storage 11 Hydrogen Production and Storage R amp D Priorities and Gaps International Energy Agency 12 M M Rahman Member IAENG Mohammed K Mohammed and Rosli A Bakar Effect of Air Fuel Ratio on Engine Performance of Single Cylinder P
64. g 21 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 3 4 Aquisi o de dados reais No in cio do projecto foram identificadas as principais vari veis a serem registadas para que posteriormente se chegasse ao correcto dimensionamento do m dulo COR Numa primeira abordagem para que se conseguisse ter no o da energia t rmica dissipada not ria a dificuldade de medi o exacta desta grandeza uma vez que n o existe instrumenta o capaz de nos fornecer este dado Deste modo op o seguir pelo m todo indirecto calculando as inefici ncias atrav s da energia til As vari veis a ter em conta para o dimensionamento t cnico e c lculo da viabilidade econ mica s o e Consumo da M quina Principal e Pot ncia Mec nica produzida pela M quina Principal e Pot ncia El ctrica produzida pela M quina Principal e Consumo dos Geradores e Pot ncia El ctrica produzida pelos Geradores As vari veis anteriores tornam se fundamentais no c lculo t cnico e econ mico para que numa primeira linha se perceba como dissipada a energia e posteriormente a sua vi vel recupera o e utiliza o seja por via el ctrica ou qu mica 3 4 1 Registo da Pot ncia Consumida A pot ncia consumida de entre as vari veis necess rias uma das mais f ceis de se aceder A bordo dos navios tidos como cobaias est o instalados caudalimetros sensores de caudal que nos ajudam a conhecer instantaneamente o
65. g nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval kw PTO kw S 0 06 00 12 00 18 00 05Jun 06 00 12 00 Time Figura 19 Aquisi o de dados sobre o a pot ncia produzida no PTO Navio A x Do grafico anterior concluimos que do gerador el ctrico acoplado a maquina principal extraimos uma pot ncia el ctrica m dia de 290kW e Das anteriores leituras podemos determinar a pot ncia t rmica que normalmente dissipado para o mar e atmosfera 8550 kWo 1770 kWy 290 kWp x kWr x kWr 8550 kW 1770 kWy 290 kW5 x 6715 kW Note se que os valores anteriormente apresentados t m j em considera o as perdas mec nicas na caixa redutora onde est o acoplados ambos os veios pelo que a inefici ncia alcan ada deve se apenas a perdas t rmicas Temos ent o uma pot ncia t rmica dissipada de 6715kW7 revelando um rendimento t rmico de 23 valor bastante reduzido face ao que tido como standard deve se isto ao facto de que o navio labora com a sua m quina principal muito abaixo das condi es de projecto RESIDUAL HULL LOSS 3 AIR RESISTANCE 1 WAVE GENERATION 5 WEATHER amp So HULL WAVE 4 Sa AXIAL PROPELLER LOSS 6 FRICTION 16 o ROTATIONAL PROPELLER LOSS 4 au FRICTIONAL PROPELLER LOSS 3 TRANS 5 PROPULSION MISSION 2 28 COOLING WATER 25 SHAFT 43 BUNKER 100 Figura 20 Diagrama de perdas de um motor t rmico imagem retirada da IMO Internationa
66. inas presentes M numa instala o de bombeamento de carga isto por exemplo no caso de um navio petroleiro Figura 10 Representa o de uma caldeira e DEM P g 16 85 rea Departamental de Engenharia Mec nica T A GSISEL 3 3 Casos de Estudo Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval No decorrer da elabora o do projecto foram identificados dois navios que dentro dos dispon veis apresentaram mais vantagens no que diz respeito ao estudo t cnico para dimensionamento e instala o de um m dulo COR Esta escolha teve n o s em conta a pot ncia dissipada dos navios mas tamb m o equipamento presente e a gest o energ tica que levada a bordo de cada um deles Os navios escolhidos como poss veis hospedeiros s o navios de diferentes tipos Tabela 4 Caracteriza o dos navios presentes neste estudo Nome NAVIO A NAVIO B Tipo de Navio Porta Contentores Petroleiro Comprimento entre perpendiculares 120m 274m Boca 20m 48m GT 5599ton 79235ton Pot ncia da Maquina Principal 5940kW 16440kW Numero e Pot ncia de Geradores 2x380kW 3x800kW Nas alineas seguintes sao descritas com maior detalhe as principais caracteristicas t cnicas dos navios bem como a sua gest o energ tica 3 3 1 Navio A Porta Contentores Um dos navios escolhidos trata se de um navio porta contentores um navio Portugu s constru do nos estaleiros de Viana d
67. io Esses metais designados por hidretos estar o instalados dentro de uma estrutura cil ndrica a qual ser considerada ent o como dep sito Ya Um metal hidreto um metal que quando banhado por hidrog nio na forma gasosa de uma forma natural atrai tomos de hidrog nio H que se v o localizar nos interst cios desse metal ou seja atrav s da injec o das mol culas de hidrog nio H2 no seu estado gasoso num dep sito estas mol culas ir o ser absorvidas e posteriormente dissociadas em tomos 10 Esta absor o ocorre de uma forma espont nea e cont nua formando novas fronteiras metal hidrog nio acontecendo a uma taxa que varia de acordo com o material em quest o e tamb m com a press o e temperatura a que este se encontra Para contrariar a absor o num processo designado por liberta o existe a necessidade aplicar calor ao metal libertando assim os tomos de hidrog nio permitindo ISEL n a rea Departamental de Engenharia Mec nica T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval que estes se combinem e voltem assim a formar mol culas de Hidrog nio H2 Este calor necess rio ir variar com o tipo de metal em quest o Na imagem seguinte esquematicamente explicado o processo Arrefecimento c Hidrog nio H2 ep Metal Hidreto Aquecimento Figura 38 Representa o dos processos de absor o e liberta o do hidrog nio pelo metal hidreto Existem na ta
68. ist ncia de uma ferramenta de redu o de custos a muitos armadores espalhados pelo mundo ISEL E vem ne rea Departamental de Engenharia Mec nica T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Na ind stria naval aliado ao crescente custo da energia aparecem tamb m as preocupa es ambientais por parte das entidades reguladoras e pa ses desenvolvidos pelo que o cerco utiliza o de combust veis pesados mais baratos cada vez maior sendo que a press o para que os armadores queimem nos seus navios combust veis mais refinados mais caros mas menos poluentes cada vez maior Acontecendo que no presente existem zonas do globo onde a queima de combust vel pesado completamente proibida nomeadamente em algumas zonas da Europa e em quase toda a costa Norte Americana a curto prazo ser totalmente proibido a utiliza o destes combust veis Sabendo da exist ncia destas necessidades neste sentido que a TecnoVeritas empresa com 20 anos de experi ncia no sector naval procura seguir Aproveitando o conhecimento adquirido nos ltimos anos atrav s de consultorias energ ticas ao n vel naval e industrial bem como a experiencia adquirida no desenvolvimento de sistemas de engenharia surge o convite ao autor deste de trabalho na participa o de um trabalho de pesquisa com a inten o de desenvolvimento de um sistema standard de recupera o de energia t rmica sendo sugerido o recurso a um Cicl
69. ito ao navio em quest o uma vez que a utiliza o directa da electricidade revela uma redu o de consumo bastante superior Tabela 30 Poupan as considerando consumo el ctrico ou de hidrog nio COR simples COR com Hidrog nio Redu o por viagem tipo 616kg de HFO 165kg de MDO Embora o valor do fuel leo pesado seja inferior a produ o de hidrog nio n o compensar o investimento num tempo de vida til do navio rendendo sim a instala o ENGENHARIA DE LIS Me bem Pag 77 85 T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval de um Ciclo Org nico de Rankine por si s Se juntarmos ainda o facto de que o m dulo poder produzir energia recorrendo tamb m a energia perdida pelos geradores ou caldeira auxiliar ainda que em menor quantidade o m dulo aumentar a sua capacidade de produ o anual reduzindo assim o tempo de retorno do investimento 6 4 Navio B Caso pr tico No regime de labora o do Navio A a instala o de um m dulo de produ o de hidrog nio n o se revelou vantajosa contudo a disposi o energ tica e arquitectura mec nica do Navio B revela se diferente o que poder proporcionar maiores poupan as com a produ o e consumo do hidrog nio contudo um navio que n o apresenta uma carreira regular n o apresentando um perfil energ tico constante sendo mais dif cil estimar o regime de produ o armazenamento e consumo de hidrog nio pelo que
70. l Maritime Organization GISELE ey a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Na figura 20 est presente um diagrama que a IMO International Maritime Organization apresenta como normal no que diz respeito ao comportamento termodin mico de uma instala o propulsora de um navio Observando este diagrama conclu mos que normal grande parte da energia ser dissipada em energia t rmica mais de 57 da energia prim ria No entanto esta energia engloba todo a energia t rmica necess ria ao funcionamento do pr prio motor como por exemplo a capacidade de arrefecimento das partes m veis as guas de arrefecimento energia que n o ser considerada no desenvolvimento do m dulo COR apenas a energia presente nos gases de escape ser contabilizada Extrapolando a parcela da energia que dissipada atrav s dos gases de escape normalmente 27 da energia qu mica fornecida equivalendo 47 da energia t rmica dissipada no total para o caso do Navio A est o presentes nos gases 3180kW associando um coeficiente de seguran a de 15 aferido um potencial t rmico de gases para aproveitamento que rondarao os 2700kW Contudo na linha de escape do motor est instalada uma caldeira recuperativa que na sua folha de caracter sticas conta com um aproveitamento t rmico de at 580kW sendo considerado um rendimento de 90 a caldeira ir absorver ent o aos gases uma pot ncia
71. lar Transistor Figura 32 Inversor trif sico baseado em IGBTs O modelo anterior possibilitar a gera o de impulsos modelados de acordo com o objectivos que ir o permitir gerar uma sinus ide com a tens o e frequ ncia necess ria N o sendo o objecto primordial deste trabalho o autor optou por reduzir a explica o do funcionamento deste aplicativo focando a semelhan a a um gerador de impulsos de alta frequ ncia que origina um determinado n mero de ondas quadradas que somadas sinus ide fundamental originar uma sinus ide praticamente perfeita com frequ ncia e tens o pretendida A observa o da figura 33 ajudar o leitor a perceber a forma como traduzida a gera o modulada de pulsos i30 E Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval aN IN a mi N Mi Figura 33 Forma de um sinal com modula o de largura de impulsos PWM Agregando os anteriores componentes obtido o seguinte esquema Ponte Gerador ae Filtro Inversor Rectificadora Capacitivo CCICA S ncrono CAICC 50 60 Hz 0 1500Hz 400 480V 0 400V Figura 34 Desenho esquem tico de um regulador AC DC AC Desta forma teremos ent o uma corrente limpa e com qualidade para ser utilizada a bordo do navio com as caracter sticas pretendidas 5 ISEL Me pen LISE rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 52 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capi
72. lho tido em conta no projecto da turbina nada tem a ver com fluido t rmico utilizado no m dulo COR pois estamos a falar de gases de escape cujas propriedades s o muito id nticas s do ar 4 3 1 Considera es Mec nicas e Estruturais Uma vez que o fluido de trabalho a utilizar n o ser o fluido de projecto importante ter em aten o o que pode essa diferen a originar nomeadamente ao n vel mec nico e estrutural 17 No dimensionamento ou projecto de uma turbina constante a influ ncia que os aspectos mec nicos t m sobre os aspectos aerodin micos ou seja qualquer que sejam os aspectos levados num projecto para uma turbina altamente eficiente estes ter o de ser simultaneamente verificados a n vel estrutural para que se garanta um tempo de vida adequado e uma integridade estrutural aceit vel Mesmo a n vel preliminar num projecto deve ter se em conta aspectos iniciais no que diz respeito s tens es stress admiss veis nas p s que ir o constituir a turbina Para que isto seja levado em considera o necess rio ter no o dos tipos de tens es a que uma p est sujeita devendo ser feita a distin o entre tens es est veis e inst veis steady e unsteady state As principais fontes de tens o est veis numa p s o e For a centr fuga e A press o aplicada GISELE Deu rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval e Condi
73. lo carv es incandescentes ficando assim dif cil controlar a frente de chama na explos o diminuindo o trabalho que esta deveria produzir e por sua vez a efici ncia que se deveria alcan ar dissipada 5 2 2 Caracteriza o do Electrolisador Para que a separa o aconte a e se consiga a mol cula de hidrog nio deve ter se em aten o aspectos construtivos do electrolisador e chegar aquilo que designada com uma c lula electrol tica bipolar Essa constru o demonstrada de uma forma esquem tica na imagem seguinte Figura 36 Constru o de uma c lula bipolar de electr lise Este tipo de electrolisador separa individualmente os el ctrodos por placas isoladoras o diafragma pelo que um lado de cada c mara ser o c todo e o outro lado ser o nodo da c lula adjacente ser ent o uma constru o traduzida por camadas alternadas entre diafragmas e el ctrodos Desta forma poss vel obter se tanto o hidrog nio como o oxig nio separados podendo se aplicar cada um para fins distintos e aplica es correctas Na figura 36 poss vel perceber se tamb m que um electrolisador ir necessitar de tanta tens o como duas vezes o n mero de pares de el ctrodos que apresente Tens o de Alimenta o da C lula 2V x N mero de Pares de Electrodos Hoje em dia no mercado segundo pesquisa existem electrolisadores do tipo bipolar que obedecem curva demonstrada no gr fico 5 T A ISEL E vem e
74. m rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 74 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 6 3 Navio A Caso pr tico No caso do Navio A temos um regime de labora o bastante normalizado uma vez que um navio que faz regularmente a mesma carreira entre o continente e as ilhas Na imagem seguinte est presente uma simula o energ tica de uma viagem tipo do Navio A RASA 0 5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Maquina Principal Geradores Gerador de Veio ece ORC Gr fico 9 Representa o gr fica do perfil energ tico de uma viagem de refer ncia do navio A No gr fico 9 poss vel de se observar o perfil de opera o energ tica do navio englobando todas as formas de transforma o energ tica presentes no navio com toda a pot ncia el ctrica e mec nica que de cada um deles se retira Como se pode concluir a pot ncia produzida por um ciclo org nico de Rankine inferior pot ncia produzida no gerador de veio pelo que nunca ser poss vel substituir o seu funcionamento podendo apenas reduzir se quanto pot ncia que lhe solicitada em 100kW Contudo o motor ir baixar a sua carga e com isso piorar o seu consumo espec fico de combust vel gr kWh pelo que ser interessante a compara o sobre qual das op es de funcionamento residem as maiores poupan as i redu o de carga ou ii produ o de hidrog nio para posterior queima nos geradores T A
75. m electrol tica revela uma pureza mais elevada tamb m uma vantagem devido ao objectivo de injec o nos motores geradores e caldeira presentes no navio GISELE oem rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 54 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 5 2 1 Electrolise Na verdade a electr lise n o apenas o processo simples de separa o de agua H20 mas sim de uma solu o aquosa de pot ssio ou soda c ustica 20 A jun o destes elementos gua a electrolisar servir para aumentar a condutividade da gua Normalmente as maiores condutividades s o observadas em solu es com 20 de pot ssio c ustico e 28 de soda c ustica Estes produtos electrol ticos s o tamb m teis para aumentar a pureza do produto resultante e importante que embora tamb m apresentem resultados cloretos e sulfatos n o devem ser utilizados como electrol ticos devido sua elevada capacidade de corros o nos el ctrodos principalmente os nodos A electr lise consiste ent o na separa o dos prot es e electr es de um tomo ou mol cula sendo que os prot es de um tomo s o os seus constituintes positivamente carregados e os electr es os negativamente carregados por interm dio da aplica o de uma determinada corrente cont nua As altas temperaturas ocorridas com a aplica o da corrente ir o fazer com que a separa o da mol cula da gua ocorra sendo que o elemento c todo do
76. m factor de pot ncia conhecido cos y conseguimos aferir a pot ncia el ctrica produzida 3 5 Verifica o de Dados 3 5 1 Dados NAVIO A Como j foi referido anteriormente neste documento o navio Navio A revelou se um excelente caso de estudo devido possibilidade de acesso aos dados em cont nuo atrav s do software instalado a bordo temos acesso em terra gest o energ tica di ria do navio em porto em manobras e em mar aberto Para efeitos de c lculos vamos considerar o seguinte intervalo de tempo e 4a 20 de Junho de 2014 ISEL W vcu rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Pot ncia Consumida kg h Main Engine Consumption Time Figura 17 Aquisi o de dados sobre o consumo da maquina principal Navio A No seguimento da an lise do grafico anterior considerado um consumo m dio de 780kg h considerando um poder calorifico inferior 40500 kJ kg durante as 31 horas observadas temos uma pot ncia m dia de consumo a rondar os 8750kW Pot ncia Produzida kw Power Shaft 12 00 18 00 05Jun 06 00 12 00 Time Figura 18 Aquisi o de dados sobre a pot ncia transferida ao veio Navio A Atrav s da leitura deste gr fico aferido um valor m dio de pot ncia no veio de 1770kW wv am a ISEI 2 ADEM Pag 25 85 DE ENGENHARIA DE LISBOA rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Or
77. modo ser poss vel conseguir se uma redu o tanto nos custos de desenvolvimento como nos custos de produ o do m dulo tornando o assim mais competitivo A turbina seleccionada para o caso de estudo ser ent o seleccionada de entre as turbinas que equipam determinados turbocompressores no mercado Figura 24 Turbocompressor mar timo MAN Figura 25 Turbocompressor mar timo Mitsubishi Por certo a op o tomada poder vir a prejudicar aquela que seria a efici ncia ptima de aproveitamento da energia contida no fluido de trabalho contudo uma op o v lida quando se aborda o assunto da recupera o do investimento tomando menor o seu o tempo de retorno ISEL Re DEM P g 39 85 rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Durante o desenvolvimento do projecto nomeadamente na procura de uma turbina cujo regime de funcionamento fosse ao encontro do pretendido a TecnoVeritas adquiriu um turbo compressor no qual se encontra montada uma turbina com as seguintes caracteristicas e Tipo KKK e Pot ncia de Projecto 150kW e Regime de Rota o 20000 RPM Note se que a pot ncia de projecto da turbina superior ao pretendido o que dar alguma margem para trabalhar com as inefici ncias potencialmente envolvidas Figura 26 Turbina seleccionada para o m dulo de total import ncia que o leitor tenha no o de que o fluido de traba
78. momento algum a temperatura dos gases dever baixar desta temperatura Q tit X Cp X Tin Tout Considerando os 500kW que tido como objectivo recuperar um Cp m dio de 1 025 kJ Kg K e um caudal m ssico de 6 08 kg s teremos 500 6 08 x 1 025 x 350 Tout Tout 2702C Conclui se por final que o navio Navio A um bom caso de estudo para implementa o de um COR e possivelmente para utiliza o de hidrog nio na sua forma liquefeita caso que verificado mais frente neste documento 3 5 2 Dados NAVIO B Ao contr rio do Navio A o Navio B n o apresenta na sua instala o a bordo qualquer equipamento de monitoriza o em cont nuo pelo que o registo de dados foi totalmente realizado in loco Pot ncia Consumida A quantifica o da pot ncia consumida na unidade de propuls o do Navio B conseguida atrav s da observa o do totalizador presente no sensor de caudal que contabiliza o combust vel consumido Na tabela seguinte est o os registos efectuados aquando da leitura Tabela 8 Registos de leitura de consumo Navio B Valor Inicial Valor Final Diferen a Temperatura Densidade litros litros litros C kg m 2673602 2674131 529 127 965 1 Os dados registados apresentam um intervalo de 15 minutos 0 25 horas ent o no seguimento da an lise da tabela anterior considerado um consumo m dio de 1940kg h No caso do navio Spyridon consider
79. n a desta opera o ser superior e O controlo do tempo de injec o conseguido possibilitando a optimiza o do padr o de injec es para cada carga da m quina Na figura seguinte pode ser observada a diferen a entre os conceitos de injec o atrav s do colector de admiss o injec o externa e o conceito de injec o directa onde o hidrog nio injectado directamente no cilindro com as v lvulas fechadas Sistema de injec o externa Sistema de injec o directa Wig Figura 40 Sistema de injec o externa e injec o directa Rotengrubber e outros 2004 demonstraram a real aplicabilidade dos dois g neros de injec o pelo que s o uma v lida op o para o futuro de ve culos nomeadamente mar timos 22 Embora nos testes tenham usado igni o por fa sca e n o por compress o os autores da pesquisa mant m a ideia que a combust o com recurso a hidrog nio poder fornecer melhores performances que os combust veis convencionais T A ISEL E vem RSA rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Fornecimento de Fornecimento de Diesel Hidrog nio Ar Engine A Escape Circuito de Circuito de Oleo Arrefecimento Figura 41 Esquema utilizado para testes de injec o directa de Hidrog nio Nas experimenta es o convencional sistema
80. n be recovered through an Organic Rankine Cycle which converts the thermal energy dissipated into useful electric energy In most existing ships looking for its mechanical configuration it is possible to conclude that the electrical energy recovered would not be very useful at the time it is produced which is why the study of the hydrogen production as a form of energy storage is also the subject of this work A feasibility study for the different power ratings for a particular module ORC Hydrogen will also be carried out herein Keywords Energy Ships Rankine Cycle Hydrogen Energy Recovery Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval VII Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval indice Agradecimentos ete a a hea aah cane do pa aaa nda da dO E dana do doa II RESUMO a O A a dae dO ae IV ADS a a a a aoe VI ao fo Rae ORAR DES RR RD RENO DR USERS ge ae ae od E RO Vill d e de Figura 7720 oasis ph o auto ananto Re OY sleet hese sath AND sleek Raa XII Indide de Tabelas aaa O dd XIV MCG Ses et E a daria AT A Meas a E Mek MAO XVI NOME NCIA Ur e ad a a a dada XVIII de HITE GAs ae DNS PRE E PR ERA CRP OMR E cae eee O 1 dape SODIECINOS a E E eae ee eee 3 2 Enquadramento Sans so ne eee Ea sanada PERSA a RS doe eee oa ee 4 2 1 Ciclo Org nico de Rankine n ra 4 2 1 1 Enquadramento Hist rico raras 4 dale Stale OF TIC AIL sat 5 2 2 TAIGHOOCINO aa io a
81. nsequente resist ncia flu ncia sendo que a flu ncia traduz a deforma o permanente de um material quando sujeito a uma determinada carga constante ao longo do tempo Tendo em conta a flu ncia do material existem ent o quatro fases de deforma o na vida de uma p Extens o inicial instant nea Est gio onde a taxa de flu ncia vai decrescendo at atingir a pr xima fase Est gio onde a flu ncia ocorre a uma taxa constante a a Est gio onde a taxa de flu ncia acelera at acontecer a fractura Total strain Rupture fracture Stage Jil Tertiary creep Stage Il Secondary creep Stage Primary creep Instanta neous strain Time Gr fico 2 Evolu o gr fica dos est gios de flu ncia que turbina est sujeite no seu per odo de vida Hany Moustapha Mark F Zelesky Nicholas C Baines David Japikse Axial and Radial Turbines 2008 GISELE oem rea Departamental de Engenharia Mec nica i30 E Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Ya Posto isto importante ter aten o para que o est gio de labora o em que a turbina ir residir n o se situe na quarta fase quando trabalhar com o novo fluido Para esta an lise pode ser seguido o mesmo princ pio que o utilizado aquando do projecto da turbina na an lise por m todos finitos em que se consideram as tens es originadas pela diferen a de press es e temperaturas m nimas quando com
82. nte a tens o centr fuga T A ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Na tabela seguinte sera possivel comparar as propriedades dos dois fluidos nas condi es de trabalho a que cada fluido sujeitaria a turbina Tabela 12 Compara o entre fluidos de trabalho na turbina Gases de Escape Gases de Escape R245fa Caso 1 Caso 2 Temperatura de Entrada 180 C 400 C 300 C Pressao de Entrada 30bar 40bar 20bar Press o de Sa da 1bar 2bar 2bar Densidade 1 07kg m 2 59kg m 1 83kg m Caudal M ssico 1 8kg s 3 5kg s 2 0kg s Nota a press o de sa da nos casos 1 e 2 varia significativamente com a exist ncia de caldeiras recuperativas a jusante da turbina Na tabela anterior pode observar se duas defini es distintas para as propriedades de gases de escape em virtude de se desconhecer o regime a que a turbina estaria sujeita quando instalada num motor Posto isto o autor optou por comparar as condi es conhecidas a que o fluido R245fa ir ser turbinado com limites conhecidos de funcionamento da turbina estaria quando instalada num motor Observando a tabela 12 conclu mos que comparando com as condi es tanto no caso 1 como no 2 as novas condi es de trabalho da turbina n o ser o de todo preocupantes no que toca tens o originada nas p s tendo ainda alguma margem para variar a velocidade de rota o
83. o 8 Evolu o termodin mica do fluido no diagrama TS tendo em conta o rendimento Isentr pico da turbina ssssissunsansreaseiaso rs insere sa das canas eens tea 71 Gr fico 9 Representa o gr fica do perfil energ tico de uma viagem de refer ncia do navio A sirier a A rri EA riie riera liardo iraa ioa i 75 Gr fico 10 Curva do consumo especifico da m quina principal do navio A 76 Gr fico 11 Representa o gr fica da gest o energ tica face produ o e consumo de a o fo 6 c 19 6 PEER RPA ER ER RD RR RO ROD PER ERR RR AR RE 77 Gr fico 12 Compara o entre poss veis cen rios para utiliza o da energia el ctrica a DordO rca retrata ads are rar rea sata Dai eat reais 78 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval XVII Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Nomenclatura A Area m T Bin rio N m Pot ncia T rmica W Cp Calor espec fico kJ kg C d Di metro m p Massa Vol mica L Comprimento m m Caudal M ssico kg s h Entalpia kJ kg S Entropia kJ kg C N Velocidade de rota o RPM p Press o bar P Pot ncia W PCI Poder Calorifico Inferior kJ kg n Rendimento Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval XIX Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 1 1 Introdu o Regra geral no dia a dia de qualquer
84. o Castelo um dos navios que faz o fornecimento de bens aos arquip lagos dos A ores e da Madeira este pode ser visto regularmente nos terminais de Santa Apol nia Lisboa Portugal GISELE oem rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 17 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Figura 11 Apar ncia de um navio porta contentores Navio A O navio como ja foi descrito apresenta uma configura o simples com uma m quina principal um gerador el ctrico acoplado ao veio de propuls o dois geradores uma caldeira recuperativa e uma caldeira auxiliar No que toca a gest o energ tica tamb m levada uma gest o simples pelo que recorrem a utiliza o em porto dos geradores auxiliares um ou dois conforme a carga bem como caldeira auxiliar Durante a travessia toda a energia abordo conseguida por interm dio da m quina principal energia mec nica el ctrica e t rmica O Navio A tamb m objecto piloto da empresa TecnoVeritas no mbito do projecto VEEO Voyage Energy and Emissions Optimizer que visa a instala o de um sistema de monitoriza o a bordo com a capacidade de enviar informa o adquirida para qualquer dispositivo em que corra um explorador web A inclus o deste navio no projecto VEEO teve s por sim um peso na sua selec o para o estudo da viabilidade de instala o de um COR pois desta forma ter amos dados adquiridos em tempo real durante um vast
85. o Org nico de Rankine No seguimento deste convite a TecnoVeritas prop e ao autor deste documento um trabalho de pesquisa no sentido de aprofundar conhecimentos tanto na concep o mec nica do equipamento como na performance a ter como objectivo para um determinado m dulo aplicado ind stria naval e uma determinada pot ncia de recupera o pelo que ser esta a base na realiza o do presente trabalho L E ideia do autor abordar tamb m o tema hidrog nio um tema cada vez mais em voga O hidrog nio aparece no mbito deste projecto como uma forma de armazenagem da energia que n o seja necess ria num determinado momento ao navio Tendo essa energia origem numa fonte at agora desperdi ada confere ao hidrog nio um factor diferenciador pois o processo utilizado normalmente na sua produ o a electr lise n o ser um processo de alto rendimento n o sendo eficiente a utiliza o de energia el ctrica de origem f ssil directamente num processo deste tipo No presente documento ser tamb m abordado a forma como o hidrog nio produzido a bordo poder ser injectado com recurso a um sistema dual fuel o hidrog nio dever ser injectado em paralelo com o combust vel de origem gas leo ou fuel leo pesado Como hip tese tamb m ser alvo de estudo a injec o simples do hidrog nio no grupo gerador presente no navio T A GISELE oem a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Organico de
86. o de sugerir a recupera o de energia dissipada e aumentar a efici ncia do navio por interm dio de um m dulo COR e da combust o de hidrog nio nas m quinas t rmicas hidrog nio produzido a bordo No seguimento deste objectivo atingiram se resultados te ricos assumindo determinados pressupostos sendo no seguimento destes resultados que sugerem para futuros trabalhos o seguinte e Modula o matem tica do sistema num todo recorrendo a software apropriado e Montagem de uma bateria de testes que provasse as suposi es termodin micas levantadas neste trabalho no que diz respeito ao Ciclo Org nico de Rankine com toda a capacidade para se fazer variar os par metros sob investiga o e Montagem de uma bateria de testes que provasse as suposi es termodin micas levantadas neste trabalho no que diz respeito produ o armazenamento e consumo de hidrog nio com toda a capacidade para se fazer variar os par metros sob investiga o T A ISEL E vem e rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Capitulo 8 8 Refer ncias 8 1 Lista de Comunicados 1 James M Calm The nex generation of refrigerants Historic review considerations and outlook 2008 2 J M Calm G C Hourahan Physical Safety and Environmental Data for Current and Alternative Refrigerants 2011 3 Huijuan Chen D Yogi Goswami Elias K Stefanakos A revi
87. o inferior Densidade PCI Diesel leo Mar timo 42000kJ kg 850 0kg m Fuel leo Pesado 40500kJ kg 965 0kg m Hidrog nio 120000kJ kg 0 089kg m Nota Os valores de PCI e densidade para os combust veis com origem f ssil foram estimados de acordo com os valores aferidos em v rios certificados de qualidade de combust vel variando ligeiramente de combust vel para combust vel J o valor de PCI e densidade para o hidrog nio aferido ap s intensa pesquisa sendo o valor indicado semelhante nas v rias fontes s mesmas condi es de 25 C e 1atm Com a observa o da tabela anterior f cil concluir que com uma quantidade m ssica inferior de hidrog nio conseguiremos atingir a mesma energia consumida no entanto devido reduzida densidade do Hidrog nio maior capacidade volum trica na injec o ser necess ria tal como no armazenamento 5 2 Produ o de Hidrog nio Como j foi descrito anteriormente neste documento existem v rias formas de obten o de hidrog nio sendo que hoje em dia o custo do hidrog nio obtido atrav s de electr lise superior ao do hidrog nio obtido com origem na reformula o de combust veis f sseis nomeadamente do g s natural contudo para a aplica o naval estudada neste documento ser por interm dio de electr lise que se revelam as maiores vantagens uma vez que a fonte de energia para este processo at ent o dissipada O facto de que o hidrog nio de orige
88. o per odo de aquisi o Os dados adquiridos s o demonstrados no cap tulo 3 5 i30 E ADEM P g 18 85 rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Organico de Rankine Aplicagao ao Sector Naval 3x Geradores pr aa h 4 RS M quina Principal do do do do cee ee oe Gas Air Separator Caldeira Auxiliar Figura 12 Esquema da linha de abastecimento de combustivel Navio A De uma forma sucinta poss vel resumir a gest o energ tica efectuada a bordo do avio A da seguinte forma Tabela 5 Caracteriza o da gest o energ tica Navio A Em Porto Em Manobra Em Mar aberto M quina Principal X X PTO X X Gerador 1 X Gerador 2 Caldeira Recuperativa Xx Caldeira Auxiliar X PTO a designa o utilizada para fazer refer ncia ao gerador de veio querendo dizer Power take of ADEM rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 19 85 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 3 3 2 NAVIO B Petroleiro Dentro do leque de hip teses para uma instala o hospedeira encontrou se tamb m dispon vel um navio petroleiro hip tese que representa uma an lise diferente da do primeiro navio o Spyridon por sua vez faz viagens longas de longos ciclos de cargas constantes com utiliza o de energia pr pria de um navio petroleiro O navio apresenta na sua constitui o al m dos princip
89. ocorra condensa o e assim prolongar a vida dos equipamentos pelo que o condensador a jusante da turbina dever trabalhar com press es inferiores atmosf rica No condensador a gua dever por sua vez passar ao seu estado de l quido saturado 2 1 2 State of the Art O Ciclo Organico de Rankine assentando no molde do ciclo anteriormente explicado aparece com a necessidade de se aproveitar a energia disponivel em quantidades mais reduzidas no entanto possivel de se aproveitar em varios pontos utilizando para isso um fluido de trabalho que nao a agua mas sim um fluido organico ISEL W no rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Nos ultimos anos t m sido experimentados diferentes fluidos sendo que o consenso sobre a melhor op o recai no R245fa cujas propriedades s o explicadas no cap tulo 4 no entanto o seu baixo ponto de ebuli o um dos principais factores para esta op o Nos dias de hoje existem duas configura es comuns para ciclos org nicos de Rankine Waste Heat In Power Out Heat Out to Ambient Figura 2 Esquematiza o de um ciclo org nico de Rankine sem regenera o Heat In Evaporator Boiler Generator Power Out Heat Out Figura 3 Esquematiza o de um ciclo org nico de Rankine com regenera o Perante as duas op es o esquema presente na figura 3 aparece com uma efici ncia
90. ort Injection Hydrogen Fueled Engine A Numerical Study 2009 13 K S VARDE and G A FRAME Hydrogen aspiration in a direct injection type diesel engine its effects on smoke and other engine performance parameters 1983 14 Mohammed Kamill M M Rahman2 and Rosli A Bakar Performance evaluation of external mixture formation strategy in hydrogen fueled engine 2011 8 2 Outras obras 15 Santos Fernando Santos Fernandom O Combustivel Hidrog nio 16 Honeywell R245fa applications development guide 17 Hany Moustapha Mark F Zelesky Nicholas C Baines David Japikse Axial and Radial Turbines 2003 18 Ennio Cruz da Costa Refrigera o 1986 19 M S Casper Hydrogen Manufacture by Electrolysis Thermal Decomposition and Unusual Techniques 2007 20 Gabriele Zini Paolo Tartarini Solar Hydrogen Energy Systems 21 Francis Labrique Jo o J E Santana Electr nica de Pot ncia 1991 22 Antunes Jorge The use of hydrogen as a fuel for compression ignition engines 2010 ISEL vcm a Area Departamental de Engenharia
91. paradas com as tens es originadas pela for a centr fuga ou seja de uma forma simples podemos considerar que press es e temperatura n o influenciam significativamente as an lises iniciais que permitir o garantir que o design da turbina n o ir resultar na presen a de tens es que ser o superiores ao que o material suporta ent o poss vel com uma verifica o simples controlar minimamente os valores de tens o a que a turbina estar sujeita e garantir assim que a escolha da turbina em quest o n o ser comprometida Posto isto podemos atrav s de uma simples equa o Marscher 1992 verificar a tens o aplicada devido for a centr fuga num rotor de uma turbina radial o KpUZ Em que p a densidade do material U a velocidade perif rica do topo da p e K uma constante que relaciona as tens es associadas geometria da p situando se este valor entre 0 2 e 0 4 Observando a anterior equa o podemos concluir que na altera o do fluido de trabalho deve ser tido em especial aten o o resultado que esta mudan a implica na velocidade de rota o perifi rica da p U uma vez que o K e a densidade do material n o se alteram Utesott ou Ules Esta velocidade de rota o est por sua vez directamente relacionada com a massa de fluido que turbinada e pela diferen a de press es existentes pelo que ser neste ponto que deve residir a maior aten o para que n o se altere significativame
92. pecto de seguran a que este envolve principalmente por se tratar de um sistema destinado ind stria naval Este tema ao longo dos anos tem sido considerado como um problema n o resolvido e vem revelando uma necessidade na cria o de equipas de I amp D para que esta aplica o se torne uma verdadeira solu o energ tica Existem ent o tr s formas poss veis de armazenar o hidrog nio conseguido atrav s da electr lise 11 nos estados gasoso l quido e s lido pelo que n o existe melhor forma de armazenamento dependo da aplica o final do Hidrog nio Embora os estudos e desenvolvimentos n o tenham ainda satisfeito todas as exig ncias industriais tecnologias de armazenamento de hidrog nio pressurizado e hidrog nio liquido t m sido usados por d cadas em instala es industriais Uma das causas para que o armazenamento de hidrog nio seja considerado pouco maduro deve se ao facto de que embora recentes pesquisas o tenham melhorado os cilindros de armazenamento continuam muito volumosos e pesados sendo que os melhoramentos conseguidos vieram reduzir estas condi es n o pondo em causa a seguran a Um dos desafios do presente nesta mat ria de hidrog nio e sua utiliza o conseguir que se olhe para o hidrog nio como uma fonte de alta densidade energ tica de reduzido volume sendo que aqui que a tecnologia de armazenamento deve contribuir e ser aprimorada objectivando o desenvolvimento de um meio de arma
93. processo seja ele dom stico ou industrial os custos com a energia s o a maior fatia da microeconomia desse mesmo processo sendo que ao leitor esteja esta ideia clara melhor entender a relev ncia do assunto abordado neste trabalho Nos ltimos anos tem se assistido a um crescente interesse na pesquisa de novas formas de aproveitar todo e qualquer tipo de energia que at ent o tido como dispens vel A actual conjuntura econ mica bem como o despertar para novas quest es nomeadamente as ambientais fazem com que grandes grupos econ micos estejam cada vez mais suscept veis a novas tecnologias que lhes permitam reduzir custos sejam de explora o produ o manuten o e acima de tudo custos com a energia Dos custos com a energia grande parte dissipada ou seja n o utilizada no processo para a qual destinada sendo que essa dissipa o acontece principalmente sob a forma de calor Nos processos de produ o onde energia t rmica necess ria ou mais precisamente onde existe transforma o de energia qu mica em energia t rmica para um determinado fim s o os casos em que existem as maiores perdas de calor nomeadamente na ind stria naval onde em muitos casos mais de metade da energia t rmica dissipada tanto para a atmosfera como para o mar Ainda que muitas vezes estejamos a falar de baixas pot ncias de todo importante encontrar uma forma rent vel de recuperar parte dessa energia proporcionando a ex
94. que rondar os 640kW Assume se que a caldeira trabalha sempre sua carga m xima No balan o energ tico neste ponto necess rio ter tamb m em conta o fluxo de gases e a sua temperatura que traduz a pot ncia em quest o A temperatura dos gases n o registada continuamente nem existe informa o sobre o seu valor ap s passagem pela caldeira recuperativa contudo com recurso ao manual t cnico do motor poss vel o acesso ao caudal m ssico dos gases de escape s diferentes cargas Na carga em quest o verifica se um caudal de 6 08 kg s A partir daqui com recurso seguinte equa o em baixo poss vel determinar a temperatura dos gases em quest o Q m X cp X T Te Resolvendo a equa o tendo em conta uma pot ncia dispon vel de 2050kW um valor de temperatura de refer ncia de 20 C e considerando um valor de calor espec fico Cp de 1 025 kJ Kg K resulta um valor de temperatura de gases a rondar os 350 C Esta ser a temperatura a que os gases ir o entrar na serpentina que definir a fonte quente do m dulo COR Existe ainda uma ltima condi o para que a instala o de um m dulo COR seja vi vel que diz respeito forma o de enxofre durante o arrefecimento de gases O ponto T A QISEL W n ae Area Departamental de Engenharia Mecanica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval de orvalho dos gases de escape que cont m xidos de enxofre de 180 C pelo que em
95. r observado um esquema que demonstra esquematicamente o processo electr lise H20 Hidrog nio H2 Sistema C lula Electrolisadora Oxig nio Oz Calor Figura 4 Esquematiza o do processo electr lise O rendimento deste processo pode ser descrito por interm dio da seguinte equa o Energia do Hidrog nio Produzido Rendi to CnCIMENLO Energia El ctrica Induzida Podemos ainda de uma forma introdut ria salientar um dos pontos fortes desta tecnologia al m da simplicidade a forma como pode ser instalada em pouco espa o pois os electrolisadores apresentam uma enorme versatilidade nos tamanhos em que podem surgir Al m destas duas fontes de hidrog nio as mais comuns existem ainda algumas outras tal como a decomposi o t rmica de gua em ciclo fechado um processo h brido que junta a decomposi o t rmica e electrolitica da gua e ainda de uma outra forma com base na fus o termonuclear T A ISEL E vem a rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 2 2 3 State of the Art Ya Hoje em dia ainda pouco hidrog nio usado comparado com aquele que de acordo com previs es se poder vir a usar e na sua grande parte conseguida a partir da reformula o do metano em que um dado curioso ser o facto de que o hidrog nio utilizado na propuls o
96. ra a constru o dos permutadores tal como para todo o resto dos equipamentos necess rio ter em conta as compatibilidades que o fluido apresenta em mat rias de corros o e durabilidade de ambos Segundo o fornecedor do fluido R245fa este um fluido compat vel com uma vasta gama de metais entre eles o a o o alum nio o cobre e o a o inoxid vel contudo tamb m alguns elast meros foram testados apresentando uma compatibilidade satisfat ria Considerando como v lida a informa o do fornecedor a constru o dos permutadores ter como base o a o e o cobre O a o para os corpos tubulares exteriores sendo que o cobre ser destinado aos tubos interiores para incremento da transfer ncia de calor QISEL E vem no rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 4 5 Gera o de Energia El ctrica Neste cap tulo ser descrito a forma como a energia dever ser convertida da sua forma mec nica para a sua forma el ctrica S o diversos os componentes que garantem que a energia ser de qualidade e pr pria de ser utilizada sem que ocorram grandes oscila es na sua frequ ncia importante salientar o facto de que a turbina n o rodar constantemente a uma velocidade definida uma vez que esta velocidade de rota o depender das condi es a que o fluido se encontra pelo que estas n o ser o por regra cont nuas ent o devido a este facto que dever s
97. resenta o de um electrolisador dispon vel no mercado 57 Figura 38 Representa o dos processos de absor o e liberta o do hidrog nio pelo metal hI reio reiese iaee aeaa EA a EAEE AAE EE EEEE ERA EEA 61 Figura 39 Dep sito de hidrog nio de metais hidretos sssssssseeeeeesserrrrrree 64 Figura 40 Sistema de injec o externa e injec o directa 67 Figura 41 Esquema utilizado para testes de injec o directa de Hidrog nio 68 Figura 42 Fluxo de energia Recupera o Consumo 69 Figura 43 Rendimento do ciclo org nico de Rankine de acordo com as temperaturas da fonte quente e fonte fria eras 72 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Indice de Tabelas Tabela 1 Ratio de atomos de hidrog nio e carbono de alguns combustiveis 8 Tabela 2 Classifica o de navios petroleiros 13 Tabela 3 Classifica o de navios porta contentores 13 Tabela 4 Caracteriza o dos navios presentes neste estudo 17 Tabela 5 Caracteriza o da gest o energ tica Navio A 19 Tabela 6 Caracteriza o da gest o energ tica Navio B 21 Tabela 7 Caracteriza o do poder calorifica de HFO e Diesel mar timo 23 Tabela 8 Registos de leitura de consumo Navio B 28 Tabela 9 Propriedades de fluidos
98. resultados do estudo anterior s o conseguidos com recurso modela o de um ciclo org nico de Rankine que n o apresenta regenera o e tem em conta as seguintes assun es e Efici ncia da Bomba 40 e Efici ncia Mec nica da Turbina 95 e Efici ncia El ctrica do Alternador 96 e Perdas de Carga 2 Desta forma segundo os autores existem quatro fluidos que traduzem a sua utiliza o em semelhantes efici ncias contudo nem todos apresentam as melhores propriedades no que diz respeito ao ambiente seguran a e disponibilidade pelo que no resultado final poss vel verificar que no geral ser o fluido R245fa a melhor op o para este tipo de aplica es 5 Mais frente no presente trabalho ser descrito termo e matematicamente o comportamento do ciclo recorrendo a uma diferente configura o onde ser utilizado um regenerador e ser o testadas as diferen as no que diz respeito a efici ncia quando se alteram as temperaturas das fontes 4 2 Constitui o e caracteriza o do Ciclo No ciclo a dimensionar ser tido em conta como objectivo de recupera o uma pot ncia t rmica de 500kW que ter como base a temperatura na fonte quente a rondar os 180 C e na fonte fria os 15 C ISEL E vem rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Sera aplicado um regenerador com o objectivo de aproveitar a energia presente ainda no fluido aquan
99. rgia t rmica transformada em energia mec nica assistimos neste ponto a uma queda de press o e temperatura A press o para qual o fluido expande ser ligeiramente superior press o de ISEL Be ou rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval funcionamento do condensador uma vez que pelo meio ainda existir o regenerador permutador no qual o fluido ir sofrer um ligeiro arrefecimento e por sua vez perda de press o lado quente Ser necess rio conhecer e Press o de Sa da e Temperatura de Sa da Considera es e A expans o na turbina atinge uma press o pr xima da que poss vel obter no condensador em fun o da temperatura do fluido frio e A temperatura de sa da da turbina num processo isentr pico deveria rondar os 82 C 2 Note se que num processo real a temperatura de sa da dever rondar os 93 C 2 4 2 1 3 Sa da do Regenerador Entrada no Condensador Ap s uma ligeira perda de carga no Regenerador temos o fluido a entrar no condensador a uma temperatura mais baixa perto da temperatura a que o fluido est no dep sito de acumula o pois este ser o fluido frio desta permuta A temperatura a que o fluido se encontra no dep sito ser conseguida em fun o da temperatura a que o fluido frio do condensador se encontra Considera es e A press o de sa da n o se dever afastar da press o correspondente
100. rigina um consumo de combust vel na ordem dos 133kg h mais ou menos 3724kg nas 28 horas de refer ncia que o navio se encontra no porto que representam 43447kWh T A ISEL E vem e rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Hidrog nio e s Energia Acumulada no Hidrog nio Gr fico 11 Representa o gr fica da gest o energ tica face produ o e consumo de hidrog nio O gr fico 11 traduz a produ o e acumula o de Hidrog nio em armazenamento durante uma viagem t pica do navio num processo semelhante a um banco de gelo utilizado hoje em dia para acumula o de energia para refrigera o chegando a uma pot ncia acumulada de 1932kWh em energia qu mica um n mero bastante inferior aos 4200kWh que seriam registados caso fosse consumida a energia directamente proveniente do gerador presente no m dulo COR Perante esta capacidade de acumula o seria permitido um consumo hor rio de 69kW provenientes do hidrog nio para injec o nos geradores o que significa uma redu o de 4 nos consumos dos geradores o equivalente a 156kg de Diesel leo mar timo uma redu o pouco significativa quando comparada com a redu o da carga do gerador de veio j presente no navio De uma forma sucinta conclu mos que a instala o de electrolisadores e respectivo armazenamento n o se revela vantajosa no que diz respe
101. roblemas este tipo de injec o e igni o traduzem dificuldades no controlo de rota o e carga do motor estabilidade de opera o e efectivamente menor pot ncia resultante da combust o quando comparado com o m todo de injec o directa devendo se todos estes contras devido velocidade de combust o do hidrog nio bem como quantidade de hidrog nio que se injecta por ciclo devido ao volume espec fico 5 4 3 Injec o directa Este ser o m todo que mais garantia apresenta para uso comercial 14 A injec o pode ser conseguida recorrendo a diferentes press es acontecendo apenas quando as v lvulas do cilindro est o ambas fechadas Com press es baixas o hidrog nio injectado numa fase inicial da compress o o que faz com que o tempo de injec o seja dif cil de controlar Por sua vez a injec o a alta press o feita no final da compress o quando a temperatura do ar na c mara j superior da temperatura de auto igni o assemelhando se ao comportamento de uma injec o de diesel convencional As vantagens que este m todo apresenta ser o GISELE ocu o rea Departamental de Engenharia Mec nica T A Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval N o existe perda de pot ncia devido ao deslocamento do ar de admiss o e Gases de escape s o facilmente controlados nomeadamente as emiss es de NOx e Uma vez que o hidrog nio apenas injectado com o cilindro fechado a segura
102. tar abordar o assunto segundo o que foi experienciado e perceber os tipos de equipamentos em an lise para que assim seja poss vel perceber o potencial de aproveitamento t rmico existente 3 2 1 M quina Principal O termo m quina principal est associado ao equipamento respons vel pela propuls o do navio sendo que o sistema mais comum hoje em dia s o motores t rmicos de ciclo diesel a dois ou quatro tempos Existem tamb m casos em que a propuls o conseguida atrav s de turbinas n o sendo muito comum por v rios motivos sendo que os motivos estruturais flex o do casco dificultam o perfeito funcionamento deste tipo de equipamentos Figura 7 Representa o de um motor mar timo a dois tempos Da m quina principal em muitas situa es tamb m conseguida a produ o de energia el ctrica Com a instala o de uma caixa redutora poss vel dividir parte do trabalho do motor em energia mec nica e outra parte em energia el ctrica Figura 8 Representa o de um motor mar timo a quatro tempos com PTO ISEL Be oc rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 3 2 2 Geradores Auxiliares Os geradores auxiliares s o em tudo id nticos ao motor principal contudo e como normal apresentam pot ncias mais reduzidas e aparecem com a necessidade de redund ncias ou seja para que seja poss vel uma gest o energ tica de acordo
103. tendo em conta o rendimento isentr pico da turbina no cap tulo 6 obedecendo s leis da termodin mica que o precedem GISELE oem e rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval 4 3 Turbina A Turbina como ser f cil de perceber o cora o de um sistema COR pelo que onde se nota a maior aten o de quem desenvolve este tipo de equipamentos devido a este facto que a turbina surge como um dos componentes onde reside a maior dificuldade de encontrar informa o descritiva Estudos sugerem que para este tipo de aplica o onde as pot ncias envolvidas s o menores e as press es mais baixas equipamentos de expans o volum trica s o os mais indicados Deve se isto ao facto de que este tipo de equipamentos revela menor n mero de partes m veis pelo que ser o mais fi veis e apresentam rendimentos isentr picos mais elevados Neste caso espec fico sugerida a aplica o de turbina uma vez que o tipo de expansor aplicado na gama de press es que iremos ter em conta baixas press es na ordem dos 35bar Por sua vez a expans o com recurso a mbolo seria aplic vel se estiv ssemos a abordar maiores press es na ordem dos 100bar No m dulo COR a ser desenvolvido na empresa TecnoVeritas onde o autor parte integrante no projecto tido como objectivo a montagem de uma turbina existente no mercado de fabrico j massificado devendo deste
104. tifica se a temperatura a saida da turbina como tendo um valor rondando os 82 C a evolu o n o isentr pica considerada esta representada no grafico 8 O regenerador como ja foi referido foi dimensionado para que a permuta de energia seja o equivalente at satura o do vapor 2 3 seguindo se a condensa o no condensador 3 4 De 4 para 5 observamos a pressuriza o necess ria para recupera o de energia 30 bar seguindo se a pr recupera o de calor no regenerador 5 6 Para finalizar temos o evaporador de 6 para 1 dimensionado para que a recupera o seja de um valor a rondar os 500kW 200 150 100 50 Temperatura C 50 100 0 5 0 7 0 9 141 1 3 1 5 1 7 1 9 2 1 2 3 2 5 Entropia kJ kg C Gr fico 8 Evolu o termodin mica do fluido no diagrama TS tendo em conta o rendimento isentr pico da turbina Tabela 21 Evolu o termodin mica do ciclo org nico de Rankine Vapor Sobreaquecido 1 TE T TE 180 Vapor Sobreaquecido 908 2 478 0 1 05 82 Vapor Sobreaquecido 937 5 493 4 1 1 101 Vapor Sobreaquecido 792 3 417 0 1 0 15 Vapor Saturado 418 0 220 0 1 0 15 Liquido Saturado 418 0 220 0 1 0 15 Liquido Saturado 423 7 223 0 31 0 17 Liquido Subarrefecido 568 9 299 4 30 0 73 Liquido Subarrefecido GOISEL We ao E y
105. tificador n o controlado e que tanto um trans stor como um tir stor poderiam ser aqui aplicados proporcionando uma rectifica o totalmente controlada O controlo nesta opera o importante se por algum motivo existir a necessidade de controlar a pot ncia do sinal rectificado o que n o o caso A forma da tens o entrada e sa da da ponte de rectifica o pode ser observada na imagem em baixo Tens o Ui Tempo m es oyt Figura 30 Formas de tens o de entrada e sa da Uma vez conseguida a rectifica o de onda AC DC posteriormente necess rio o incremento da qualidade da energia recorrendo se a um filtro capacitivo ou na pr tica um condensador i30 E Me ben Area Departamental de Engenharia Mec nica P g 50 85 ISEL Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval AC 4 ou JL DC AC 1 Figura 31 A Ponte Rectificadora B Filtro Capacitivo Neste ponto existe ent o de uma forma controlada uma fonte de corrente cont nua sendo agora poss vel a aplica o de um sistema que possibilita a cria o de uma fonte de corrente alternada com valores de frequ ncia e tens o vari vel Na constru o deste sistema de convers o ser baseada na utiliza o de d odos e trans stores sendo que este inversor ser classificado como de modela o de largura de Impulsos MLI ou PWM e tera como base IGBTs Insulated Gate Bipo
106. tor t rmico imagem retirada da IMO International Maritime Organization eee eeeeeceneeeeeeeeeeteccccaeeeeeeeeeeeeeennaaees 26 Figura 21 Aquisi o de bin rio Navio B eee eeeeeenteeeeeeeeeeteees 29 Figura 22 Caracteriza o de um Ciclo Org nico de Rankine 35 Figura 23 Evolu o termodin mica do R245 ao longo do ciclo 36 Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Figura 24 Turbocompressor mar timo MAN 39 Figura 25 Turbocompressor mar timo Mitsubishi seeen 39 Figura 26 Turbina seleccionada para o m dulo 40 Figura 27 Permutadores de placas arena 44 Figura 28 Permutador tubular sevice Bee RAE a Ra RUE ie eae fie 44 Figura 29 Ponte rectificadora de onda completa ceeeeseeeeeeesseeeeeeenneeees 50 Figura 30 Formas de tens o de entrada e sa da en 50 Figura 31 A Ponte Rectificadora B Filtro Capacitivo 51 Figura 32 Inversor trif sico baseado em IGBTS a 51 Figura 33 Forma de um sinal com modula o de largura de impulsos PWM 52 Figura 34 Desenho esquem tico de um regulador AC DC AC 52 Figura 35 Explica o esquem tica de um electrolisador 55 Figura 36 Constru o de uma c lula bipolar de electr lise 56 Figura 37 Rep
107. tubulares e os de placas Figura 27 Permutadores de placas Figura 28 Permutador tubular i30 E ADEM rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 44 85 ISEL Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Os permutadores de placas s o na sua grande maioria bastante eficientes apresentando um rendimento t rmico elevado podendo mesmo a diferen a entre fluidos chegar a apenas 1 C contudo em aplica es onde seja fundamental minimizar a perda de carga este tipo de permutadores perde vantagem o que acontece no caso do ciclo COR Associando o facto anterior ao facto de que os permutadores de placas n o s o aconselhados para situa es em que algum dos fluidos sofra mudan a de fase torna a sua utiliza o pouco v lida Ent o tendo a interior informa o em conta s o seleccionados para este sistema tr s permutadores de calor do tipo tubular No desenvolvimento deste m dulo ser tido em conta as seguintes condi es de permuta Tabela 13 Caracteriza o de permutadores para o m dulo de 100kW Evaporador Regenerador Condensador Pot ncia Trocada 451 4kW 145 9kW 352 8kW R245fa Fluido Quente Therminol R245fa Sobreaquecido R245fa r Fluido Frio R245fa s Agua Subarrefecido Temperatura de entrada Fluido 350 C 102 C 15 C Quente Temperatura de entrada Fluido Frio 74 C 15 C 15 C Nota Temperatura maxima dos gases presentes na chamin Pa
108. tulo 5 5 Hidrogenio aplicabilidade 5 1 Associar o Hidrog nio Como referido anteriormente o Hidrog nio o elemento mais comum no cosmos sendo este uma fonte de energia com um poder calorifico significativo aparece ent o um vasto leque de vantagens em explorar as mais diversas formas de o obter uma vez que n o existe na sua forma elementar Ap s uma cuidadosa an lise dos diferentes processos de obten o de Hidrog nio considerando a tremenda energia t rmica que dissipada para atmosfera e a infinita abund ncia de gua torna se simples concluir que a electr lise o melhor dos processos de obten o para se aplicar num sistema como um navio 5 1 1 Caracteriza o do Hidrog nio objecto de estudo no presente trabalho a utiliza o de hidrog nio em substitui o de um combust vel do tipo hidrocarboneto como fuel leo pesado e Diesel leo mar timo Para que essa substitui o seja consciente necess rio que exista uma completa no o no que diz respeito s propriedades termodin micas de cada fluido em quest o ISEL W e rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Uma das propriedades termodin micas mais importante a serem identificadas ser o poder calorifico inferior de cada um dos combust veis pelo que teremos Tabela 16 Propriedades dos combust veis Diesel HFO e Hidrog nio Combust vel Poder calorific
109. uma in mera variedade de configura es no que diz respeito sua arquitectura mec nica A bordo de um navio existem v rios sistemas consumidores e conversores de energia pois logicamente todas as formas de energia t m de ser tratadas a bordo tendo como origem energia prim ria o combust vel que lhe fornecido energia qu mica Neste momento podemos abreviar as convers es e necessidades energ ticas no seguinte esquema entre a origem e o fim Energia Mec nica Energia El ctrica Turbo Bombas Energia T rmica Figura 6 Esquematiza o do fluxo que a energia qu mica no navio O esquema presente na figura anterior sendo um esquema gen rico representa na realidade os equipamentos que proporcionam a gest o energ tica de um navio os quais geralmente s o e M quina Principal e Geradores Auxiliares e Caldeira E en rea Departamental de Engenharia Mec nica P g 14 85 T A GSISEL Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Existem casos em que a propuls o conseguida atrav s de motores el ctricos o que faz com que todos os geradores sejam auxiliares pois toda a energia necess ria propuls o com origem em energia qu mica transformada em el ctrica Neste ponto do documento importante ao leitor perceber que imposs vel ao autor expor no presente documento todas as configura es poss veis sendo que a op o passa por ten
110. va o da energia crit rios esses que assentam tamb m em determinadas caracter sticas definidas ao longo do tempo Segundo J M Calm e G C Hourahan 2011 os refrigerantes passaram por quatro importantes e destintas fases 1 e 1830 1930 Tudo Funciona COs NHs SO HCOOCHs HCs H20 CCl CHCSs etc e 1931 1990 Seguros e Dur veis CFCs HCFCs HFCs NHs H20 etc e 1990 2010 Protec o camada de Ozono HCFCs HFCs NHs H2O HCs CO etc e 2010 Presente Alarme Geral muito baixa taxa de destrui o da camada de ozono baixo GWP HFCs alta efici ncia GWP Global Warming Potencial Como poss vel observar 2 no in cio da utiliza o de fluidos de trabalho existia como simples objectivo o funcionamento pr prio da instala o no entanto com o aperfei oamento deste tipo de utiliza o surgem as preocupa es de sustentabilidade e seguran a sendo promovida uma fase de desenvolvimento e aperfei oamento de fluidos compostos fase que durou 70 anos Por volta dos anos 90 surgem as primeiras preocupa es ambientais altura em que assinado o protocolo de Kyoto promovendo a preocupa o ambiental globalizada A terceira fase decorreu durante 20 anos denotando se uma r pida resposta dos fabricantes pelo que em 2010 surge uma nova fase que generaliza a preocupa o ambiental Tendo em conta a fase em que estamos no que diz respeito selec o optimiza o e utiliza o de um fluido
111. zenamento que permita uma determinada quantidade de hidrog nio num reduzido espa o que permita uma taxa de utiliza o suficiente para fornecer energia para uma aplica o particular Por exemplo em aplica es m veis por exemplo num navio necess rio que se consiga a entrega de energia para o sistema consumidor m quina principal gerador ou caldeira suficiente para uma determinada pot ncia em todo a sua gama de varia o Um dos outros pontos importantes para um armazenamento eficiente ser a taxa a que o hidrog nio transferido para o armazenamento ou seja o reabastecimento tem de ser conseguido e gerido neste caso de acordo com a taxa de produ o 15 T A QISEL W n an rea Departamental de Engenharia Mec nica Ciclo Org nico de Rankine Aplica o ao Sector Naval Em suma poderemos resumir os objectivos de um sistema de armazenamento nos seguintes pontos e Aplicabilidade Armazenamento Conveniente Alta capacidade energ tica Alta capacidade de entrega cin tica Integridade do meio e componentes de armazenamento Operacionalidade simples Seguran a no armazenamento baixas press es baixos focos de inc ndio e baixa toxicidade e Baixo Custo Materiais de fabrico comuns e dispon veis Baixo custo de manuten o e custos de opera o e Alta fiabilidade Repetibilidade da performance Ciclo de vida consider vel Boa integridade de materiais Baixa taxa de

Aplicação de um Ciclo Orgânico de Rankine à Indústria Naval

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