Análise experimental e exergoeconômica de um sistema compacto de cogeração a gás natural

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010Os sistemas compactos de cogeração a gás natural se apresentam como uma alternativa tecnológica para a geração distribuída e para o uso racional da energia, atendendo simultaneamente demandas de eletricidade, vapor, água quente e cargas térmicas requeridas para climatização ou refrigeração. Neste trabalho buscou-se realizar uma avaliação do potencial de uma planta de cogeração existente no LabCET através de testes experimentais e análise exergoeconômica e também fornecer uma base de dados para projetos futuros. Foi dada atenção à utilização de vapor como fluido intermediário para acionamento de um chiller de absorção. A configuração adotada foi baseada no acoplamento de uma microturbina Capstone de 28 kWe a uma caldeira de recuperação para produção de vapor saturado até 6 bar e um chiller de absorção água-amônia Robur de 13,3 kWt para refrigeração. Foram realizados testes para diferentes potências elétricas, determinando pressões distintas na caldeira, e temperaturas da solução na saída do chiller. Os resultados obtidos para o sistema operando a plena carga apontaram para uma produção de 26 kW de potencia elétrica e 19,0 kW de vapor saturado a 5,3 bar (161ºC) ou, se utilizado para acionar o chiller, 9,2 kW de capacidade de refrigeração a -5ºC para uma temperatura ambiente de 24°C. Os rendimentos elétrico e de cogeração encontrados foram de 22,7% e 39,3%, respectivamente, apesar dos resultados apontarem para a possibilidade de se atingir valores mais elevados. O COP do chiller foi calculado em 0,44, 25% menor que o valor estimado pelo fabricante para o sistema original de queima direta e para mesma temperatura ambiente. Observou-se que maiores pressões na caldeira elevam a capacidade de refrigeração, apesar do COP não apresentar uma variação significativa. Considerando uma temperatura da solução na saída do chiller de -5°C, o aumento da pressão da caldeira de 2,5 para 5,3 bar provocou um aumento na capacidade de refrigeração de 6,3 kW para 9,2 kW, representando um acréscimo de 46%. A utilização de vapor ainda abre espaço para a utilização de chillers de absorção BrLi de duplo efeito capazes de atingir COP#s da ordem de 1,2 quando utilizada uma fonte de calor a alta temperatura, como a utilizada neste trabalho.Natural gas mall scale cogeneration systems are presented as an alternative technology for distributed generation and to the rational use of energy, supplying simultaneously electricity, steam, hot water and thermal loads required for air conditioning or refrigeration. This study aimed to assess the improvement potential for an existing cogeneration plant at LabCET through experimental tests and exergoeconomic analysis and also to provide a database for future projects. Steam was used as intermediate fluid to drive an absorption chiller. The configuration adopted was based on the coupling of a Capstone microturbine of 28 kWe to a heat recovery steam generator to produce saturated steam up to 6 bar and an ammonia-water absorption chiller Robur with nominal capacity of 13.3 kWt for refrigeration. Tests were performed for different output power, determining different pressures in the HRSG, and different temperatures of the solution at chiller outlet. The results for the system operating at full load pointed to 26 kWe of output power of and 19.0 kW of saturated steam at 5.3 bar (161°C) or, if used to drive the chiller, 9.2 kW of cooling capacity at -5ºC for an ambient temperature of 24°C. Electric and cogeneration efficiencies were found 22.7% and 38.4%, respectively, although the results indicate to the possibility of reaching higher values. The COP of the chiller was calculated equal to 0.44, 25% less than the estimated value by the manufacturer for the original system of direct burning at the same temperature for the solution at chiller outlet. It was observed that higher pressures in the HRSG increased the cooling capacity, despite of the COP does not vary considerably. Considering an outlet temperature of the solution at -5°C, the increase in HRSG pressure of 2.5 to 5.3 bar caused an increase in cooling capacity from 6.3 kW to 9.2 kW, an addition of 46%. The use of steam also makes room for the use of double effect LiBr absorption chillers capable of reaching a COP on the order of 1.2 when using a heat source at high temperature, as used in this work