Relatório - Microturbina a gás PDF

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Relatório para o projeto de uma microturbina a gás...

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EQUIPE TÉCNICA ENG. ANDRÉ FILIPE A. DOS SANTOS BETIM ENG. BÁRBARA MARIA BRANDÃO GORGULHO ENG. EDUARDO PEREIRA CAMPOS ENG. GILBERTO CARLOS DOS REIS JÚNIOR ENG. LUCAS ANDRÉ RIBEIRO CARVALHO ENG. MATHEUS POCKER LEMOS ENG. RICARDO JUSTO SANCHES FERNANDES

PROJETO DE MICROTURBINA A GÁS GUSTAVO ALVEZ DE SOUZA ENGENHEIRO RESPONSÁVEL

ITAJUBÁ 17/06/2019

Projeto de Microturbina a Gás

ENGO ® ENGINEERING Universidade Federal de Itajubá Av. BPS, 1303, Pinheirinho Itajubá- MG, Brasil CEP: 37500-903 IEM – Instituto de Engenharia Mecânica TEL: (35) 3629-1038 www.engo.com.br

A serviço de:

UAITurbines® www.uaiturbines.com.br

1

Projeto de Microturbina a Gás APRESENTAÇÃO

Fundada em 2019, a Engo® é uma empresa no setor energético que está entrando em um mercado tradicional de projetos para inovar e quebrar paradigmas. Com uma clareza na comunicação com o cliente sem precedentes, buscamos atender com a maior exatidão possível o que nos é requisitado com foco em qualidade, segurança e sustentabilidade, para aqueles que, assim como nós, são responsáveis e íntegros perante a sociedade. Através de nossa equipe de jovens engenheiros de uma renomada instituição, trabalhamos com alta dedicação e eficiência para produzir o melhor custo-benefício da indústria.

Sumári Lista de figuras.............................................................................................................................4 2

Projeto de Microturbina a Gás Lista de tabelas............................................................................................................................5 1.

Objetivos..............................................................................................................................6

2.

Planejamento.......................................................................................................................6 Cronograma .............................................................................................................................8

3.

Orçamento Preliminar.........................................................................................................9

4.

Condições de Projeto...........................................................................................................9

5.

Análise da Combustão......................................................................................................10

6.

Memorial de Cálculos........................................................................................................13 6.1 Análise termodinâmica do ciclo........................................................................................13 6.2 Compressor centrífugo.....................................................................................................19 6.3 Turbina radial....................................................................................................................31

7.

Resultados..........................................................................................................................33 7.1 Análise termodinâmica.....................................................................................................33 7.2 Compressor centrífugo.....................................................................................................35 7.3 Turbina radial....................................................................................................................37

8.

Conclusão...........................................................................................................................38

Referências................................................................................................................................39

3

Projeto de Microturbina a Gás

Lista de figuras Figura 1- Ciclo Regenerativo.......................................................................................................14 Figura 2- Relações de eficiências e razões de pressões..............................................................16 Figura 3- Valores de eficiência para processo de expansão........................................................17 Figura 4- Relação do Ar e N/W1 para difusor 2D........................................................................29

4

Projeto de Microturbina a Gás

Lista de tabelas Tabela 1: Matriz de Responsabilidades........................................................................................7 Tabela 2- Cronograma de atividades............................................................................................8 Tabela 3- Resultados de combustão obtidos..............................................................................13 Tabela 4- Parâmetros obtidos referentes às análises termodinâmicas.......................................33 Tabela 5- Parâmetros obtidos referentes às análises do rotor do compressor centrífugo..........35 Tabela 6- Parâmetros obtidos referentes às análises do difusor do compressor centrífugo.......36 Tabela 7- Parâmetros obtidos referentes às análises da turbina radial.......................................37

5

Projeto de Microturbina a Gás

1. Objetivos De maneira geral, o presente memorial tem como objetivo o projeto preliminar de uma microturbina (EUT65) operando em ciclo aberto consumindo gás natural, para as condições solicitadas pelo cliente UAITurbine®. Os objetivos específicos são: determinar a geometria do compressor (diâmetro do rotor, ângulos da pá na entrada do rotor, profundidade do canal de saída do rotor, ângulo do bordo de ataque do difusor e largura da garganta do difusor); determinar o diâmetro do rotor da turbina, a sua eficiência e o coeficiente de perda no rotor da turbina; determinar os parâmetros de combustão, com auxílio computacional, de maneira a se determinar a temperatura dos gases de exaustão, a emissão de poluentes, o PCI do combustível e a relação combustível/ar para o processo na câmara de combustão.

2. Planejamento O planejamento é um dos principais elementos no gerenciamento de um projeto e da sua qualidade, e disso a ENGO® entende bem. Nossa equipe de engenheiros foi distribuída e designada para suas melhores funções, para garantir a entregar do produto com a melhor eficiência. Para salientar o comprometimento da equipe ENGO com o projeto, é apresentado a seguir a responsabilidade dos envolvidos com as principais atividades realizadas.

6

Projeto de Microturbina a Gás Tabela 1: Matriz de Responsabilidades

Matriz de Responsabilidades Atividades

André

Barbara

Eduardo

Gilberto

Gustavo

Lucas

Matheus

Ricardo

Elaboração da Matriz Raci

Rv

C

R

C

A

C

C

C

Elaboração do Cronograma

P

P

R

P

A

P

P

P

Microsoft Project

I

I

R

I

A

I

Rv

I

Horas Previstas para o Projeto

R

P

P

P

P

P

P

P

Horas realizada no Planejamento

P

R

P

P

P

P

P

P

Orçamento preliminar do projeto

I

I

I

R

A

I

I

I

Elaboração de apresentações e cronograma de atividades

I

I

R

I

A

I

I

I

Criação da Logotipo

I

I

P

I

I

R

I

I

Estudo de Materiais das Turbina

I

I

I

R

A

I

P

I

Cálculos preliminares – Ciclo Termodinâmico e Revisão

Rv

R

C

C

A

C

C

C

Compressor Geometria, Nº de Estágios, Difusor e Revisão

P

P

P

P

A

P

P

R

Turbina - Temperatura de Operação, Analise do Ciclo, Geometria e Analise da necessidade de um regenerador

P

P

P

P

A

P

R

P

Revisão dos Cálculos

C

C

C

C

Rv

R

C

C

Revisão do Cronograma

I

I

I

I

I

R

I

I

7

Projeto de Microturbina a Gás Elaboração do Relatório

A

Rv

P

P

R

P

P

P

Legenda R

Responsável

Responsável pela entrega

Rv

Revisão

Responsável pela revisão

A

Aprovação

Responsável pela aprovação

C

Consultado

Pessoa a ser consultada antes que a decisão seja tomada

I

Informado

Pessoa a ser informada sobre a decisão tomada

P

Participante

Pessoa que auxilia ou participa da execução

Fonte: Autoria Própria

Cronograma Durante o planejamento de um projeto, trabalha-se com uma grande quantidade de informações que exigem preparos e avaliações até que possam finalmente ser utilizadas. Com o auxílio de softwares próprios para o gerenciamento de projetos, é possível planejar o desenvolvimento das atividades e defini-las cronologicamente a fim de se obter uma melhor organização. Visto isso, elaborou-se um cronograma de atividades, apresentado na tabela 2. Para tal, a ENGO® utilizou o software Microsoft Project® 2016, o qual apresenta um design simples e prático que se diferencia dos demais softwares do mercado.

Tabela 2- Cronograma de atividades

Tarefa

Duração

Início

Término

Desenvolvimento de microturbina a Gás

75 dias

Seg 11/03/19

Qui 27/06/19

Apresentação da Proposta de Desenvolvimento

0 dias

Seg 11/03/19

Seg 11/03/19

Início das Atividades

0 dias

Seg 11/03/19

Seg 11/03/19 8

Projeto de Microturbina a Gás Planejamento

68 dias

Seg 11/03/19

Sex 14/06/19

Matriz de Responsabilidades (RACI)

1 dia

Seg 11/03/19

Seg 11/03/19

Cronograma (Project)

4 dias

Ter 12/03/19

Sex 15/03/19

Total de horas prevista para o projeto

5 dias

Seg 18/03/19

Seg 25/03/19

Horas Realizadas no Projeto

59 dias

Seg 25/03/19

Sex 14/06/19

Revisão do Cronograma

7 dias

Sáb 01/06/19

Seg 10/06/19

Pré-Projeto

33 dias

Qui 14/03/19

Qua 01/05/19

Escolha do material

10 dias

Qui 14/03/19

Qui 28/03/19

Orçamento preliminar

9 dias

Seg 25/03/19

Qui 04/04/19

Revisão

0 dias

Qua 01/05/19

Qua 01/05/19

Cálculos

52 dias

Qui 28/03/19

Seg 10/06/19

Cálculos Preliminares

15 dias

Qui 28/03/19

Qua 17/04/19

Ciclo Termodinâmico

13 dias

Qui 28/03/19

Seg 15/04/19

Revisão do cálculos

2 dias

Ter 16/04/19

Qua 17/04/19

Câmara de combustão

15 dias

Qui 28/03/19

Qua 17/04/19

Composição dos produtos no equilíbrio químico

8 dias

Qui 28/03/19

Seg 08/04/19

Definição da razão ar combustível

7 dias

Ter 09/04/19

Qua 17/04/19

Compressor

24 dias

Qui 18/04/19

Qua 22/05/19

Geometria

14 dias

Qui 18/04/19

Qua 08/05/19

Difusor

8 dias

Qui 09/05/19

Seg 20/05/19

Revisão

2 dias

Ter 21/05/19

Qua 22/05/19

Turbina

15 dias

Ter 21/05/19

Seg 10/06/19

Reavaliação do ciclo

5 dias

Ter 21/05/19

Seg 27/05/19

Geometria e cálculo da turbina de expansão

8 dias

Ter 28/05/19

Qui 06/06/19

Revisão de Cálculos

2 dias

Sex 07/06/19

Seg 10/06/19

1º Apresentação

8 dias

Seg 01/04/19

Qui 11/04/19

Preparação da 1º Apresentação

4 dias

Seg 01/04/19

Qui 04/04/19

Apresentação das Atividades

0 dias

Qui 11/04/19

Qui 11/04/19

2º Apresentação

7 dias

Seg 29/04/19

Qui 09/05/19

Preparação da 2º Apresentação

3 dias

Seg 29/04/19

Qui 02/05/19

9

Projeto de Microturbina a Gás Apresentação das Atividades

0 dias

Qui 09/05/19

Qui 09/05/19

Relatório

64 dias

Qui 14/03/19

Qui 13/06/19

Elaboração do Relatório

60 dias

Qui 14/03/19

Sex 07/06/19

Revisão de Relatório

5 dias

Sáb 08/06/19

Qui 13/06/19

Entrega do Projeto

0 dias

Sex 14/06/19

Sex 14/06/19

Apresentação do Projeto

7 dias

Sáb 15/06/19

Qui 27/06/19

Elaboração da Apresentação Final

4 dias

Sáb 15/06/19

Qua 19/06/19

Apresentação Final

0 dias

Qui 27/06/19

Qui 27/06/19

Fonte: Autoria Própria

3. Orçamento Preliminar Para a realização desse projeto, estima-se que sejam gastas 25 horas por projetista. Como o presente trabalho possui 8 engenheiros responsáveis pela sua facção, serão gastas 200 horas no total. Considerando que o valor de um engenheiro projetista seja de R$150,00/hora [1], será cobrado um valor de R$30.000,00 para a realização de tal projeto. Além das horas de projetista, a ENGO receberá 4% do preço de venda, quando esta ocorrer, das dez primeiras turbinas produzidas utilizando o presente projeto. Baseando-se no fato de que uma turbina da Capstone® com potência nominal de 65 [kW] (C65), custa em média R$156.800,00 [6], será cobrada uma parcela de R$62.720,00 referente a parceria com o cliente UAITurbine. Considerando tanto a mão de obra dos engenheiros projetistas, quanto o valor percentual previamente estabelecido, o custo total do projeto será de R$92.720,00.

4. Condições de Projeto De acordo com a demanda do cliente UAITurbine, foi projetado um sistema utilizando tecnologia de microturbina a gás, operando em ciclo aberto e atendendo uma geração de energia de 65 [kWe]. O combustível a ser utilizado foi determinado como sendo gás natural, com uma composição volumétrica de 90% de CH 4, 7% de C2H6

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Projeto de Microturbina a Gás

e 3% de C 3H8. Por último, foi fornecido as condições de projeto, baseadas na norma ISO, listadas a seguir: ● Pressão absoluta: 1 [bar]; ● Temperatura: 15 [°C]; ● Umidade relativa: 60%.

5. Análise da Combustão Como já mencionado anteriormente, o combustível a ser utilizado é Gás Natural com 90% de CH4, 7% de C 2H6 e 3% de C 3H8 em volume. A fim de se encontrar o valor do PCI do combustível em questão utilizou-se a metodologia descrita abaixo. Primeiramente, foi necessário conhecer a equação química estequiométrica representada a seguir (eq. 1): 90CH4 + 7C2H6 + 3C3H8 + 219,5(O2 + 3,76N2) → 113CO2 + 213H2O + 825,32N2

(1)

0 Com a reação completa e os valores da entalpia de formação ( h f ) de cada

molécula, dispostos abaixo, retirados do site Thermo Build [7], pôde-se calcular o PCI que, por definição de poder calorífico, é igual ao módulo da entalpia de combustão h RP , dada pela equação (2). Logo, tem-se: 0

h

f H 20 g

h0 f

=−241826,0

C 2H 6

h

kJ kmol

=−83851,544

0 f C 3H 8

=−104680

h0 f =−74600,0 CH 4

h0 f =0,0 O2

kJ kmol

kJ kmol

h0 f =−393510,0 CO 2

kJ kmol

kJ kmol

kJ kmol

11

Projeto de Microturbina a Gás

h0 f =0,0 N2

❑

kJ kmol ❑

h RP=∑ ❑n .(h f +Δ h)−∑ ❑ n .(h f +Δ h) 0

0

(2)

R

P

Como a temperatura e pressão dos produtos e reagentes são iguais a 298 K e 1 atm, o valor de Δ h=0 . A equação, portanto, se reduz a (eq. 3): ❑

❑

P

R

h RP=∑ ❑n .(h 0 f )−∑ ❑n .(h 0 f )

(3)

Substituindo os valores, tem-se: ¿ h RP∨¿

= PCI = 88.360.567,19 J/mol (combustível)

Sabendo que a massa de um mol desse combustível é 1782 gramas, calcula-se o PCI em base mássica (eq. 4): .567,19∗J ∗1 mol kJ mol PCI m=88.360 =49.585 kg 1782 g

[ ]

(4)

Para se calcular a temperatura de chama adiabática a pressão constante, temos que encontrar uma igualdade entre a entalpia dos reagentes e dos produtos, uma vez que não há transferência de calor para o ambiente e, portanto, todo o calor gerado na combustão fica retido nos produtos. No projeto em questão, como não há variação de temperatura na entrada, para os reagentes, Δh=0 , então, tem-se que: hreagente =nCH 4 [ h

0 f CH 4

]+n

C2H 6

[ h0C 2 H 6 ] +nC 3 H 8 [ h 0 C 3 H 8 ]+nO 2 [ h 0 f ] +n N 2 [ h0f ] O2

N2

(5) e,

h produto =nCO 2 [h f (T ) ]+n H 2 O [ hf (T )] +n N 2[ hf (T ) ]

(6)

A temperatura de chama adiabática ocorre quando a diferença entre entalpia dos reagentes e dos produtos é nula. Utilizando-se dessa premissa e sabendo que as entalpias podem ser calculadas através do polinômio exposto na equação (7), que representa a variação da entalpia com a temperatura, obteve-se a temperatura de chama através do software Matlab.

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Projeto de Microturbina a Gás

[

−1 −2 h=R u . T −a 1. T +a 2. ln ln (T ) . T + a 3+

a 4.T a5. T 2 a 6.T 3 a 7 . T 4 b 1 + + + + T 5 2 3 4

]