No processo de produção de açúcar e etanol, cerca de
da cana é transformada em bagaço, que em termos energéticos equivale a
, enquanto o etanol equivale a
e o vinhoto a
. Nas usinas, o bagaço é incinerado em caldeiras para a produção de vapor de alta pressão. Esse vapor é expandido em turbinas, gerando vapor saturado a 2,5 bar. As turbinas movimentam equipamentos como turbobombas para preparo e moagem de cana (63%) e geradores, produzindo energia elétrica (37%). A maior parte do vapor saturado de baixa pressão (
) que deixa as turbinas é utilizada para o aquecimento do caldo (24%) e nos aparelhos de destilação (61%), sendo que o restante (
) não é aproveitado.
A maioria das turbinas atuais gera vapor a 22 bar e
. No entanto, com o avanço da tecnologia, já vêm sendo fabricadas turbinas de múltiplos estágios com maior elevação de pressão, tornando as usinas verdadeiras centrais energéticas, que além de produzirem açúcar, etanol e levedura, produzem e comercializam energia elétrica.
Diante dessas informações, calcule a quantidade de kWh gerados de energia elétrica por tonelada de cana (EE/TC) e compare o aumento de produção de energia elétrica em relação às turbinas atuais (22 bares e
) para duas turbinas de alta pressão a ( 60 bar e
) e a ( 100 bar e
), respectivamente, que gerem
de vapor.
A maioria das turbinas atuais gera vapor a 22 bar e
Diante dessas informações, calcule a quantidade de kWh gerados de energia elétrica por tonelada de cana (EE/TC) e compare o aumento de produção de energia elétrica em relação às turbinas atuais (22 bares e
Passo 1
Beleza, o exercício tá pedindo pra gente calcular quanta energia elétrica (em kWh) uma usina de cana gera por tonelada de cana (EE/TC) e ver o ganho quando partimos de turbinas “padrão” (22 bar e 300 °C) para turbinas mais modernas (duas opções: 60 bar/450 °C e 100 bar/530 °C), cada uma gerando 200 t/h de vapor.
Conteúdo: Termodinâmica (ciclo Rankine), tabelas de vapor (entalpias), conversão de unidades. Vamos precisar de:
Conteúdo: Termodinâmica (ciclo Rankine), tabelas de vapor (entalpias), conversão de unidades. Vamos precisar de:
- Entalpia do vapor na entrada da turbina (h₁) e na saída (h₂).
- Fórmula do trabalho específico
. - Cálculo da potência:
. - Conversão para kWh e depois dividir pela tonelada de cana (sabendo que 1 t de cana vira 0,28 t de bagaço, que alimenta a caldeira).
Passo 2
Primeiro, pega a entalpia na saída: turbina expele vapor saturado a 2,5 bar, então
É tabela de vapor: saturado seco (qualidade 100%).
Passo 3
Agora a entalpia na entrada de cada caso (tabela de vapor super-aquecido):
- Caso atual (22 bar, 300 °C):
. - Turbina 60 bar, 450 °C:
. - Turbina 100 bar, 530 °C:
.
Passo 4
Calcular o trabalho específico
:
- Atual:
. - HP 60/450:
. - HP 100/530:
.
Passo 5
Potência gerada por 200 t/h de vapor. Primeiro converte fluxo mássico:
.
Como , em kg/s:
.
Como
Então potência
(kW):
- Atual:
- HP 60/450:
- HP 100/530:
Passo 6
Agora converte em kWh por tonelada de cana. Sabendo que cada tonelada de cana gera 0,28 t de bagaço e que todo esse bagaço fornece o vapor de 200 t/h (hipótese de 1:1 massa de bagaço→vapor, pra simplificar), então a usina precisa de
Logo, energia por tonelada de cana é
Passo 7
Calcula para cada caso:
- Atual:
- HP 60/450:
- HP 100/530:
Resposta
– Com turbina “padrão” (22 bar/300 °C): ~27,2 kWh por tonelada de cana.
– Com turbina 60 bar/450 °C: ~46,7 kWh/t cana (aumento de ~19,5 kWh/t, +72 %).
– Com turbina 100 bar/530 °C: ~62,2 kWh/t cana (aumento de ~35,0 kWh/t, +129 %).
– Com turbina 60 bar/450 °C: ~46,7 kWh/t cana (aumento de ~19,5 kWh/t, +72 %).
– Com turbina 100 bar/530 °C: ~62,2 kWh/t cana (aumento de ~35,0 kWh/t, +129 %).