Relação de eficiência energética e projeto de integração energética no design de sistemas de refrigeração a GNL

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A seguir, apresento um artigo que escrevi por conta própria. Sou muito bem-vindo a todas as discussões e críticas construtivas. Introdução: Diante das exigências de proteção ao meio ambiente e de redução do consumo de energia, a quantidade de eletricidade consumida pelos sistemas de refrigeração é o principal indicador de interesse. Para a operação de fábricas de GNL, com um custo fixo dos equipamentos, escolher soluções tecnológicas eficientes em termos energéticos é o meio mais importante para reduzir os custos e aumentar a receita. Para os produtos de ar-condicionado, a classe de eficiência energética é um método de classificação que indica as diferenças na eficiência energética desses produtos. A eficiência energética é a relação entre a capacidade de refrigeração nominal e a potência nominal (consumo de energia). De acordo com as **normas aplicáveis, a eficiência energética dos ar-condicionados é classificada em cinco níveis: 1, 2, 3, 4 e 5. Os valores correspondentes à eficiência energética são, respectivamente, acima de 3,4; de 3,2 a 3,4; de 3,0 a 3,2; de 2,8 a 3,0; e de 2,6 a 2,8. De acordo com as regras, se um produto tiver um nível de eficiência energética inferior ao mínimo exigido para entrada no mercado, ele não pode ser vendido. A cor de fundo da etiqueta de eficiência energética é azul, e na parte superior constam informações como “nome do fabricante” e “modelo” ； O elemento mais chamativo é a parte central do símbolo, que contém marcas que indicam os níveis de 1 a 5, indo do verde ao vermelho. À esquerda, há informações que indicam o nível de consumo energético, desde “baixo consumo” até “alto consumo”. No canto superior direito, é indicado claramente o nível de eficiência energética do produto em questão. Na parte inferior do símbolo, são apresentados os valores específicos de “relação de eficiência energética”, “potência de entrada” e “capacidade de refrigeração”. 1. Definição da eficiência energética do sistema de refrigeração a LNG: O sistema de refrigeração a LNG, que utiliza gás natural liquefeito, é composto por vários componentes principais, como compressor do refrigerante, condensador, válvula J-T e câmara de resfriamento. O sistema de refrigeração utilizado no processo de liquefação do LNG também é um sistema de ciclo fechado. Como mostrado na figura abaixo: o fluido refrigerante é comprimido pelo compressor, passando assim a estar em estado de alta temperatura e alta pressão. Em seguida, ele é resfriado no condensador, perdendo assim o calor que absorveu. O fluido refrigerante entra então no tanque de resfriamento, onde ocorre uma troca de calor com o gás natural purificado. O fluido refrigerante absorve o calor do gás natural e, em seguida, volta ao compressor para ser comprimido novamente. Assim, o estado do fluido refrigerante volta ao seu estado inicial. Relação de eficiência energética = Calor do gás natural absorvido, Q_absorvido / Trabalho realizado pelo compressor, W. O calor Q_absorvido pelo gás natural é a calor latente liberado durante o processo de liquefação do gás natural, bem como o calor sensível liberado durante o processo de transformação de fase; em outras palavras, trata-se da carga térmica efetiva do tanque de resfriamento. O trabalho realizado pelo compressor, W, é a potência útil do compressor de refrigeração. Se uma fábrica de LNG com capacidade de processamento de 300 mil metros cúbicos por dia tiver uma carga térmica do reservatório refrigerado de 3171 KW, e a potência ativa do compressor for de 1000 KW, então a eficiência energética do sistema de refrigeração de LNG será de 3,171. Se a potência do compressor for de 2000 KW, a eficiência energética do sistema será de 1,58. De acordo com os padrões de economia de energia para aparelhos de ar-condicionado, se a eficiência for inferior ao mínimo exigido pelo mercado, que é de 2,6, o produto não poderá ser vendido no mercado. 2. Cálculo da carga do reservatório de resfriamento no sistema de resfriamento com GNL: O reservatório de resfriamento é um dos componentes essenciais do sistema de resfriamento com GNL, e sua capacidade de carga é o fator mais importante para garantir a produção em larga escala de GNL. Na figura de exemplo acima, a quantidade de calor do gás natural absorvida pelo tanque resfriador por unidade de tempo representa a capacidade de carga do tanque, podendo ser expressa em KW. A quantidade de calor absorvida pelo tanque de resfriamento por unidade de tempo pode ser calculada com base na quantidade diária de gás natural a ser processada. Isso inclui o calor latente liberado durante o processo de liquefação do gás natural no tanque de resfriamento, ou seja, o calor específico Q_s, além do calor latente Q_l liberado durante a transformação do gás natural do estado gasoso para o estado líquido. Por exemplo, em uma fábrica de LNG que processa 300 mil metros cúbicos de gás natural por dia, considerando que a densidade do gás natural é de 0,72 kg/nm³, seu calor específico é de 2156 J/(kg•K), e a diferença de temperatura necessária para a liquefação é de 260 graus, o valor do calor latente pode ser calculado da seguinte forma: Q_latente = 30x10000x0,72x2,156x260/(24x3600) = 1401 KW. O valor do calor latente de vaporização do gás natural é de 510,25 kJ/m³. Portanto, o valor do calor latente para 300 mil metros cúbicos de gás natural pode ser calculado da seguinte forma: Q_latente = 30x10000x510,25/(24*3600) = 1771,7 KW. Assim, a carga térmica total do sistema de refrigeração de uma fábrica de LNG que processa 300 mil metros cúbicos de gás natural por dia é de 3171,7 KW.

3. Projeto energético do sistema de refrigeração de LNG: A partir do ciclo de funcionamento do fluido refrigerante descrito acima, pode-se ver que a energia efetivamente absorvida pelo reservatório de refrigeração, Q_absorvido, somada à potência efetivamente fornecida pelo compressor, W, precisa ser dissipada pelo condensador do fluido refrigerante. Isso permite que o fluido refrigerante volte ao seu estado original, preparando-o para o próximo ciclo de refrigeração. Portanto, a energia Q liberada pelo condensador do refrigerante deve ser igual à carga térmica efetiva Q absorvida pelo reservatório de refrigeração, mais a potência útil W do compressor do refrigerante: Q liberada = Q absorvida + W. Se a potência do condensador do refrigerante for insuficiente, o resultado será uma capacidade de refrigeração insuficiente no sistema, e assim não será possível produzir a quantidade desejada de produto liquefeito.