análise exergética de um módulo semicondutor 14 w

V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA
V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING
25 a 28 de agosto de 2008 – Salvador – Bahia - Brasil
August 25 – 28, 2008 - Salvador – Bahia – Brazil
ANÁLISE EXERGÉTICA DE UM MÓDULO SEMICONDUTOR 14 W
ASSOCIADO A UMA LÂMPADA A GÁS OPERANDO NO MODO
COGERAÇÃO
Ildefonso Martins dos Santos, [email protected]
Francisco de Assis Oliveira Fontes, [email protected]
Andrés Ortiz Salazar, [email protected]
Cleiton Rubens Formiga Barbosa, [email protected]
1
Centro Federal de Educação Teconológica da Bahia, Salvador- BA
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Campus Universitário, Natal-RN
2
Resumo: A geração termoelétrica através de estado sólido, usando materiais semicondutores, converte energia
térmica diretamente em elétrica sem a necessidade de partes móveis. Embora o processo ainda apresente baixa
eficiência de energia, é caracterizado pelo alto grau de confiança e baixas exigências de manutenção e vida longa. O
presente trabalho apresenta um sistema de cogeração interessante para aplicação em lugares remotos. A unidade
proposta usa gás como fonte primária de energia e produz energia luminosa a partir de uma lâmpada a gás e
aproveita as perdas dissipativas para aquecimento térmico e geração elétrica CC. O brilho é obtido diretamente da
combustão de gás na lâmpada. A energia térmica é útil para aquecimento de água e geração elétrica a partir de um
módulo semi-condutivo. A unidade foi instalada em uma bancada de teste para medida dos parâmetros de
desempenho. Os parâmetros elétricos foram medidos e monitorados. Um Luxímetro foi usado para traçar a incidência
luminosa na área útil, além de outros instrumentos e acessórios. Uma análise do sistema é apresentada a partir da
análise dos balanços de massa, energia e exergia. Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios para os
objetivos da investigação.
Palavras-chave: lâmpada a gás, termoeletricidade, cogeração, energia, exergia.
1. INTRODUÇÃO
A cogeração tem benefícios implícitos, se reflete num aproveitamento da energia primaria, petróleo, gás natural,
carvão mineral e biomassa ao fazer um uso mais eficiente dos energéticos. Assim como, reduz as emissões
contaminantes ao meio ambiente por queimar menos combustível por unidade de energia gerada (Cogen, 2003).
Termoeletricidade caracteriza-se por ser um processo sólido de conversão de energia térmica (calor) em elétrica
sem a necessidade de partes móveis, apresentando alta confiabilidade e baixo requisito de manutenção. Seu princípio
é baseado nos estudos realizados por Thomas Seebeck em 1800 (Taylor & Francis 2005).
Potências de 5 a 550 Watts podem ser obtidas por apenas uma única unidade termogeradora. A configuração de
potência fornecida por um TEG é bastante similar a de uma bateria, combinações de múltiplos TEG's podem ser feitas,
paralelo ou em série, para atender a requisitos maiores de potência.
As versões modernas de termogeradores utilizam termopilhas fabricadas de uma variedade de elementos
semicondutores a base de telureto de bismuto, e são mais que simples termopares. Estas termojunções são muito mais
eficientes que simples termopares e vem sendo avaliadas desde a metade dos anos 60
Atualmente sistemas TEG são propostos para geração de energia elétrica a partir do calor residual em máquinas
térmicas como motores automotivos, fornos de lenha, sistemas de aquecimento, entre outras aplicações (Santanilla,
2005 e Souza, 2006).
Os geradores TEG são bastante utilizados em situações que requerem alta confiabilidade, locais remotos, quando
existe a necessidade de baixa manutenção e extensa vida útil ou em condições climáticas adversas. Suas principais
aplicações são proteção catódica, automação e transmissão de dados, telecomunicação, auxílio à navegação e outras
(Schroeder, 2004).
O objetivo deste trabalho é fazer uma análise energética e exergética de um protótipo de tri-geração de energia
(iluminação/elétrica/ térmica) a partir de uma lâmpada a gás para aplicações remotas (Santos, 2007).
2. EXPERIMENTO
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O aparato experimental é apresentado na figura-1, sendo composto de componentes e materiais disponíveis no
mercado e descritos conforme segue.
Trocador
de Calor
Energia
Elétrica
Calor
Água Fria
CC
CC
Conversor
Módulo
Semicondutor
Unidade de
Monitoramento
CARGA
Calor
Água
Quente
Fonte de calor
(a)
Bateria
(b)
Figura 1. a) Esquema da unidade TEG proposta, b) Detalhe da montagem do módulo.
O componente principal é uma lâmpada a gás (1) alimentado com gás GLP (gás liquefeito de petróleo) na pressão
regulada de 200 kPa. O sistema já tem o propósito de produzir luz através da queima controlada do gás que excita a
irradiação de uma camisa feita de material luminescente. Os gases quentes da exaustão na parte superior do lampião
servem como fonte de calor para aquecer a superfície do cabeçote (2) projetado para aquecimento da face de alta
temperatura do módulo termoelétrico e na seqüência, através do trocador de calor (3) projetado para ser conectado
diretamente no cabeçote produz o aquecimento de água em sistema de cogeração. A energia elétrica cc produzida no
módulo termoelétrico (4) e condicionada no conversor (5) é armazenada em uma bateria (6) para aplicações diversas. O
sistema utilizou instrumentação para medição do consumo de gás e pressão do gás, grandezas elétricas do módulo
termoelétrico, monitoramento e aquisição de temperaturas na entrada e saída dos fluxos e demais pontos.
Descrição dos Componentes do Sistema:
Fonte quente - É o lado do cabeçote fabricado em alumínio, que está em contato com os gases da exaustão; Fonte
Fria - É o trocador de calor que refrigera o lado frio do módulo termoelétrico e funciona como um primeiro estágio do
sistema de cogeração, sendo utilizado o mesmo fluxo de água que alimenta o trocador de calor do segundo estágio de
cogeração; Sistema de Iluminação - A iluminação foi obtida a partir da liberação de luz da camisa de 500 velas do
lampião; Módulo Semicondutor - A geração da energia elétrica a partir da diferença de temperatura entre as fontes
quente e fria, utilizou-se o módulo semicondutor HZ-14 a base de ligas de telúrio e bismuto adquirido por importação.
Este módulo é capaz de produzir 14 W para uma diferença de temperatura de 200ºC (Frederick, 2006); Sistema de
Monitoração e aquisição de Temperaturas - Foi utilizado um sistema de aquisição de dados Field Logger® a partir dos
sinais enviados pelos termopares, tipo T, para obtenção das temperaturas nos diversos pontos indicados na Tabela 1.
Este sistema permitiu o monitoramento e controle da unidade e o cálculo dos fluxos térmicos envolvidos; Conversor
Booster CC/CC – É previsto um bosster tipo conversor ressonante cc/cc para regular a carga da bateria de 12 Vcc, de
baixo consumo, para proporcionar a elevação da tensão elétrica produzida com um único módulo HZ-14, que tem como
caracterísitca uma tensão em vazio de 3,5 Vcc para uma diferença de temperatura de 250°C. No experimento, a
diferença de temperatura foi de 138°C, produzindo uma tensão em vazio de 2,3 Vcc. Entretanto, é interessante que a
unidade utilize associação de módulos em série capazes de fornecer tensão elétrica da ordem de 13 Vcc.
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Tabela 1. Pontos de medição de temperatura
Termopar
Ponto de medição
Sigla
1
Temperatura dos gases de entrada do trocador convectivo
TGE
2
Temperatura dos gases de saída do trocador convectivo
TGS
3
Temperatura da água de entrada do trocador condutivo
TAgE
4
Temperatura da água de saída do trocador condutivo
TAgSI
5
Temperatura da água de saída
TAgSII
O sistema foi instalado numa base conforme mostrado na figura 2.
Água de
entrada
3
4
2
Gases de saída
Água de saída
1
5
Gás
Figura 2. Fluxos de gases e água da unidade
3. ANÁLISE TERMODINÂMICA DA PLANTA TERMOELÉTRICA COM COGERAÇÃO
A figura 2 mostra os diversos pontos de medição de temperaturas dos fluxos que atravessam a fronteira do sistema,
ou seja, entrada e saída de cada componente envolvido no balanço global de energia.
A análise da eficiência da unidade termoelétrica pela Primeira Lei da Termodinâmica pode ser realizada utilizandose a equação 1:
(1)
Onde
representa a potência elétrica equivalente a potencia
é a eficiência da lâmpada termoelétrica,
luminosa fornecida pela lâmpada a gás,
é a potência elétrica gerada pelo módulo termoelétrico,
é o poder
calorífico inferior e c é a vazão do combustível.
A eficiência exergética é uma medida recomendada de perfeição termodinâmica para processos térmicos
(Szargut,1988). Para a lâmpada na configuração com cogeração proposta tem-se a equação 2:
(2)
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Onde:
para obter a exergia do combustível
= 1,0334 + 0,0183(H/C) + 0.0694(1/Nc) é o fator que corrige o PCI
gasoso.
Onde: as variáveis H e C representam o percentual mássico dos elementos químicos no combustível e Nc o número
de moléculas de carbono (Szargut, 1988); PCI = 49.174 kJ/kg para o gás liquefeito de petróleo ideal, mistura de
butano50% / propano 50% (Lora, 2004).
Trocadores Condutivo (TCd) e Convectivo (TCv):
As eficiências energéticas dos trocadores Condutivo (TCd) e Convectivo (TCv) foram feitas utilizando as
equações 3 e 4 respectivamente:
(3)
Onde, ηT
é a eficiência energética, Q
é o fluxo de calor transferido para água e
Q / é o fluxo de calor transferido dos gases de exaustão entre os pontos 2 e 3 do fluxograma de processo, refe
rentes ao trocador de calor condutivo.
(4)
Onde, ηT
é a eficiência energética, Q
é o fluxo de calor transferido para água e
Q / é o fluxo de calor transferido dos gases de exaustão entre os pontos 2 e 3 do fluxograma de processo, refe
rentes ao trocador de calor convectivo.
As eficiências exergéticas dos trocadores Condutivo (TCd) e Convectivo (TCv) foram feitas utilizando as
equações 5 e 6 respectivamente:
(5)
Onde,
é a eficiência exergética, ∆
é o fluxo exergético transferido para água e
T
/ é o fluxo exergético transferido dos gases de exaustão entre os pontos 2 e 3 do fluxograma de processo,
referentes ao trocador de calor condutivo.
∆
(6)
é a eficiência exergética, ∆
é o fluxo exergético transferido para água e
Onde,
T
é
o
fluxo
exergético
transferido
dos
gases
de
exaustão
entre os pontos 3 e 4 do fluxograma de processo,
/
referentes ao trocador de calor convectivo.
Os parâmetros para o cálculo das eficiências energéticas e exergéticas da equação 3 e 4 são mostrados para
cada equipamento na tabela 1.
∆
Tabela 1 –Parâmetros da análise termodinâmica.
Parâmetro
Trocadores de Calor
/
∆
∆
∆
/
Eficiência Térmica, Elétrica e Global do sistema com cogeração:
As relações utilizadas para o cálculo da eficiência térmica, elétrica e global foram estabelecidas com base em
diversos trabalhos anteriores (Santana, 2004 e Santos, 2007) e estão apresentados na tabela 2.
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Tabela 2 – Eficiência térmica, elétrica e global para o sistema com cogeração.
Eficiência
(1ª lei da termodinâmica)
Térmica total
·
Elétrica total
·
Global
·
(2ª lei da termodinâmica)
∆
· 100
· 100
· 100
∆
·
·
·
·
·
∆
·
· 100
· 100
∆
· 100
As propriedades termodinâmicas dos fluxos utilizados no cálculo da análise termodinâmica estão na tabela 3 e
a exergia da água e dos gases de exaustão foram calculadas a partir da seguinte expressão:
Para os gases de exaustão ∆h = ∫cp dT , ∆s = ∫ cp dT/T e
cp = Σx i cp i
j
Onde c
A + B . T C . T (Callen, 1985) e representa a capacidade calorífica do composto i presente nos
gases de exaustão, calculados a partir da composição e massa do ar e combustível, considerando combustão
estequiométrica.
foi obtido considerando a razão ar/combustível /
15 para o gás
O fluxo de massa dos gases de exaustão
liquefeito de petróleo (GLP) e o excesso de Ar e=600%, através da equação
. . 1
. Os valores
obtidos foram compatíveis com aqueles estimados através das medidas de velocidades dos gases de saída.
Figura 2. unidade TEG.
A unidade foi colocada em operação sendo ajustada a vazão de gás para obter a melhor condição de luminosidade
em um ponto de referência. Fixado a vazão de gás (GLP) a unidade foi submetida a testes sendo feito medidas e
aquisição de temperatura e após a entrada em regime permanente foram medidas as tensão e corrente do módulo,
iluminância do ambiente, consumo de gás e fluxo de água.
A iluminância foi medida utilizando-se um luxímetro de marca Lutron, modelo Light meter 102. As medições
foram realizadas no plano horizontal no raio do círculo que passa pelo centro da lâmpada, espaçado a cada 0,20 m de
distância da fonte no intervalo de 0 a 3 m, fazendo uma varredura vertical simétrica em cada ponto na faixa de -0,50 a
+0,50m em relação ao plano horizontal considerado.
A vazão de água foi calculada com base na média entre as medidas do volume calibrado utilizando um Becker e um
cronômetro de precisão.
Potencia do módulo termoelétrico:
•
[W]
(7)
W
md
= U .I
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Onde:U é a diferença de potencial elétrico (V) e I é a corrente elétrica (A)
Potência de Iluminação:
•
W
L
= ( f i .S ) / η t
[W]
(8)
Onde: f i é o fluxo de iluminação [lux ou lm/m2]; S é a área d superfície útil cilíndrica em torno da lâmpada [m2]
η t é a eficiência luminosa média de lâmpadas no Brasil [ 32,31 lm/W] (Assaf e Pereira, 2003).
4. RESULTADOS E DICUSSÃO
Temperaturas:
Os transientes de temperaturas são apresentados nas Figuras 3 e 4. A maior variação ocorre para a curva de
temperatura dos gases quente (TGE) atingindo o valor em regime de 183 ºC. A temperatura dos gases de saída (TGS) se
manteve estável entre 115 e 120 ºC durante todo o tempo, demonstrando que o trocador de calor convectivo projetado
foi adequado. A temperatura dos gases quentes de saída abaixo deste valor produz condensação que retorna para dentro
da lâmpada o que é indesejável.
TGE
TAgSII
TGS
TAgSI
TAgE
(a)
(b)
Figura 3. Temperaturas dos fluxos da unidade TEG: a) gases, b) água.
Tabela 2: Registro de vazões
Vazão
kg/s
&g )
GLP ( m
1,687E-5
água ( m& a )
1,166E-2
Condições
* Máxima potência
*Regime permanente
Potências da Lâmpada a gás e do Módulo termoelétrico: (Condição de máxima potência)
O estudo de otimização das superfícies cilíndricas em torno do lampião indica que a maior potência obtida ocorre no
raio r = 0,4 m em torno da lâmpada apresentando uma potência de iluminação de:
•
W
L
= 8,27W
A potência fornecida pelo Módulo Termoelétrico foi de:
•
W
md
= 5,64W
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Tabela 4 – Propriedades termodinâmicas dos fluxos (Pontos correspondentes a figura 2).
h – (kJ/kg)
s – (kJ/kg)
ex –(kJ/kg)
Pontos
Descrição
Temperat.(oC)
(kg/s)
1
Combustível
28
0, 000017
49.127
52.716
2
gases
295
0, 00153
297,38
0,7095
85,9490
3
gases
115
0, 00153
99,34
0,2903
12,8306
4
água
32
0,0117
134,15
0,4643
0,4338
5
água
34
0,0117
142,50
0,4916
0,6984
6
água
40
0,0117
167,57
0,5725
1,5902
Condições de referência: T0 = 25 °C, P0 = 101,3 kPa, umidade relativa = 62,47 %, umidade absoluta =
0,018804 kg água/kg ar seco; Água: h0= 104,89 kJ/kg ; s0=0,3674 kJ/kg.
Tabela 5 – Resultado dos Parâmetros.
Parâmetros
/
∆
∆
∆
/
Trocadores de Calor
(W)
303,00
97,70
293,32
111,87
3,10
10,43
Tabela 6 – Resultados das Eficiência térmica, elétrica e global.
Eficiência
Térmica total
Elétrica total
Global
%
(1ª lei da termodinâmica)
46,8
1,7
48,5
%
(2ª lei da termodinâmica)
1,6
1,6
3,2
Comportamento da Unidade
Embora, a eficiência de iluminação seja baixa e a geração elétrica tenha ficado abaixo da esperada, a eficiência
global da unidade foi elevada devido ao aproveitamento da cogeração através do sistema de trocadores de calor
projetados.
Tabela 7. Desempenho da Lâmpada com co-geração de energia
(Condição de máxima potência)
Componente
Potências (W)
Modulo HZ-14
Lâmpada a gás
Cogerador
Perdas
Σ Total=
5,64
8,27
391,02
430,23
835,16
Eficiência (%)
energética
0,67
0,99
46,82
51,52
100
5. CONCLUSÃO
O sistema apresenta-se como uma alternativa para cogeração em áreas remotas produzindo um total de energia útil
aproximado de 405 W, com uma eficiência energética global da ordem de 49 % e exergética global da ordem de 3 %.
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O módulo Termoelétrico HZ-14 apresentou uma potencia da ordem de 40 % daquela ideal (14 W) indicada pelo
fabricante, suficiente para carregar uma bateria de 12V com capacidade de 50 A.h num período de 106 h.
O sistema de cogeração permite um fornecimento de água de 42 l/h com um gradiente de temperatura de 8 oC o que
para aplicações remota constitui-se num aproveitamento siginifcativo.
6. AGRADECIMENTOS
Ao PPGEM Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e ao Laboratório de Energia da UFRN pelo
apoio ao projeto e ao Técnico Arivaldo pela valiosa colaboração na experimentação.
7. REFERÊNCIAS
Assaf, L.O., Pereira, F.O.R., 2003, “Perspectivas de la eficiencia energética en la iluminación: desafíos para el
desarrollo”, [S.l.]: ENCAC-COTEDI.
Callen, H.B., 1985, “Thermodynamics and Introduction to Thermostatistics”, John Wiley & Sons, New York.
Cogen, 2003. “An Introduction to Micro-Cogeneration”, Cogen Europe Briefing 8.
Kotas, T. J., 1995, “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis”, Reprint Edition, Krieger Publishing Company,
Malabar-Flórida, 328 p.
Frederick A. L., Norbert B. E. and John C. B., 2006,“Use, Application And Testing of Hi-Z Thermoelectric Modules”
Hi-Z Technology, Inc. 7606 Miramar Road, San Diego, CA 92126-4210.
www.hi-z.com/documents/useandapplications.pdf, acessado em 2006.
Lora, E. E. S., Nascimento, M. A. R., 2004, “Geração Termelétrica: planejamento, projeto e operação”. 1. ed. Rio de
Janeiro: Interciencia, v. 2. 1269 p.
Santana, G.C.S., Torres, E.A., Campos, M.F, 2004, “Avaliação termodinâmica de uma planta cogerativa de um
shopping center”, Anais da Rio Oil & Gas Expo and Conference.
Santanilla, C. E. C., 2005. “Generación Y Aprovechamiento de Energía Termoeléctrica”
Santos, I.M., 2007, “Protótipo de uma unidade com tri-geração de energia para utilizações remotas: Aplicação de
módulo semicondutivo gerador termoelétrico”, Dissertação de Mestrado, UFRN/RN/Brasil.
Souza, M. L. V., 2006. “Utilização de Termogeradores como Fonte de Energia Alternativa”
Schroeder, Jon M., 2004. “A New Electric Generator for Powering Remote Facilities, 2000”.
Szargut,J., Morris, D.R., Steward, F.R., 1988, “Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Process”,
Hemisphere Publishing Corporation, New York.
Taylor & Francis. 2005. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano (Hardcover) by D.M. Rowe (Hardcover - Dec 9,
2005).
8. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso neste trabalho.
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Francisco de Assis Oliveira Fontes, [email protected]
Andrés Ortiz Salazar, [email protected]
Cleiton Rubens Formiga Barbosa, [email protected]
1
2
Federal Learning Center CEFET-BA, Salvador-BA
Federal Rio Grande do Norte University, Campus Universitário, Natal-RN
Abstract: The thermoelectric generation through solid state, using material semiconductors, directly converts thermal
energy into electric without the necessity of mobile parts. Although the process still presents low energy efficiency, it is
characterized by the high reliable degree and low requirements of maintenance and long life. The present work
presents a interesting cogeneration system for application in remote places. The unit proposal uses gas as primary
source of energy and produces luminous energy from a gas light bulb and uses to advantage the dissipatives losses
for thermal heating to produce electric energy DC. The brightness is gotten directly of the gas combustion in the light
bulb. The thermal energy is useful for heating of water and electric generation from a semiconductive module. The unit
was installed in a banch of test for measure of the performance parameters. The electric parameters had been
measured and monitored. A luxmeter was used to trace the luminous incidence in the useful area, beyond other
instruments and accessories. An analysis of the system is presented from the analysis of the rockings of mass, energy
and exergia. The gotten results had been sufficiently satisfactory for the objectives of the inquiry.
Key-Word: gas light bulb , termoeletricity, cogeneration, energy, exergy.