Resumo das tecnologias de recuperação e utilização do calor residual na indústria do nosso país

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Atualmente, o uso de energia em nosso país ainda enfrenta problemas significativos, como baixa eficiência, baixos benefícios econômicos e grande pressão sobre o meio ambiente. A redução do consumo de energia e a melhoria da eficiência geral no uso de energia são as soluções fundamentais para resolver esses problemas energéticos, sendo, portanto, uma prioridade no desenvolvimento do país. 　　A realização dos objetivos de redução de emissões e economia de energia, bem como o aumento da eficiência no uso de energia, dependem principalmente do setor industrial. O consumo de energia no setor industrial do nosso país representa cerca de 70% do consumo total de energia do país. Em média, o consumo de energia por unidade dos principais produtos industriais é cerca de 30% maior do que o padrão internacional. Além dos fatores de processo de produção relativamente atrasado e de estrutura industrial inadequada, a baixa taxa de utilização do calor residual industrial é uma das principais causas do alto consumo energético. Na China, a taxa de utilização da energia é de apenas cerca de 33%, o que representa cerca de 10% a menos em comparação com os países desenvolvidos. Pelo menos 50% do consumo energético industrial acaba sendo desperdiçado na forma de calor residual. Portanto, sob outro ponto de vista, nosso país dispõe de recursos abundantes de calor residual industrial, que estão presentes em diversos setores industriais durante o processo de produção. Esse calor residual representa de 17% a 67% do consumo total de combustível. Dentre esses recursos, 60% podem ser recuperados. Há, portanto, grande potencial para aumentar a eficiência no uso desse calor residual, o que significa um grande potencial de economia de energia. A recuperação e utilização do calor residual industrial é considerada uma “nova fonte de energia”, tendo se tornado, nos últimos anos, um elemento importante para impulsionar os esforços de redução de emissões e economia de energia em nosso país. 　　Características dos recursos de calor residual industrial – Os recursos de calor residual são considerados energia secundária. Trata-se de um produto resultante da conversão de energia primária ou de materiais combustíveis, ou ainda do calor liberado durante a queima de combustíveis, que permanece após a conclusão de um determinado processo industrial. De acordo com a temperatura, o calor residual industrial é geralmente dividido em três categorias: calor residual de alta temperatura, acima de 600°C; calor residual de temperatura média, entre 300 e 600°C; e calor residual de baixa temperatura, abaixo de 300°C. Quanto à sua origem, o calor residual industrial pode ser classificado como: calor residual proveniente de gases de escape, calor residual de meios de resfriamento, calor residual de gases e águas residuais, calor resultante de reações químicas, calor residual de produtos e escórias de alta temperatura, além de calor residual proveniente de gases e resíduos combustíveis. 　　Os recursos de calor residual têm origens diversas, operam em uma ampla faixa de temperaturas e existem em várias formas. Do ponto de vista da sua utilização, os recursos de calor residual geralmente apresentam as seguintes características em comum: devido às flutuações periódicas, intermitentes ou instáveis no processo de produção, a quantidade de calor residual é instável; as propriedades do meio que contém o calor residual são ruins, como, por exemplo, a presença de grande quantidade de poeira ou substâncias corrosivas nas emissões gasosas; além disso, os dispositivos utilizados para aproveitar o calor residual são limitados por condições locais específicas. 　　Portanto, os sistemas ou equipamentos para utilização do calor residual industrial operam em condições relativamente adversas, exigindo um intervalo de funcionamento estável, capacidade de se adaptar a requisitos de processo variáveis, alta confiabilidade dos componentes do equipamento, além de altos custos iniciais. Do ponto de vista econômico, é necessário realizar um planejamento geral do sistema, levando em consideração o processo de produção, a fim de aumentar a eficiência dos equipamentos utilizados no sistema de aproveitamento do calor residual. 　　Tecnologias de utilização do calor residual industrial – A faixa de temperatura do calor residual é ampla, e existem diversas formas de transportar essa energia. Além disso, devido às diferenças no ambiente e nos processos industriais, bem como às limitações impostas pelas condições específicas do local, existem vários tipos de equipamentos, como pré-aquecedores de ar, câmaras de armazenamento de calor em fornos, caldeiras de calor residual e turbinas a baixa temperatura. Existem várias maneiras de classificar a recuperação e utilização do calor residual industrial. De acordo com as características de transferência ou conversão de energia durante o uso desse calor residual, as tecnologias atuais utilizadas no Brasil podem ser divididas em tecnologias de troca de calor, tecnologias de conversão de calor em trabalho e tecnologias de refrigeração e aquecimento por meio do calor residual. 　　1. Tecnologia de troca de calor – A recuperação do calor residual deve ser utilizada prioritariamente nos equipamentos deste sistema ou no processo em questão, a fim de reduzir ao máximo o número de vezes em que ocorre a conversão de energia. A utilização do calor residual não altera a forma da energia térmica em questão. Trata-se, simplesmente, de transferir essa energia diretamente para os processos que consomem energia, por meio de equipamentos de troca de calor. Esses equipamentos são considerados tecnologias de troca de calor, sendo a maneira mais direta e eficiente de recuperar o calor residual industrial. Os equipamentos correspondentes incluem vários tipos de trocadores de calor, como os tradicionais, os trocadores de calor a tubos de calor, além de geradores de vapor a partir do calor residual (caldeiras de calor residual). 　　(1) Trocadores de calor de tipo parede intermediária – Os trocadores de calor utilizados na indústria são, basicamente, divididos em trocadores de calor de tipo parede intermediária, trocadores de calor mistos e trocadores de calor de tipo armazenamento de calor. Os tipos de trocadores de calor de parede intermediária e de armazenamento de calor são equipamentos comumente utilizados na recuperação de calor residual industrial. Já os trocadores de calor mistos dependem do contato direto ou da mistura dos fluidos quentes e frios para transferir calor; exemplos disso incluem torres de resfriamento, torres de lavagem e condensadores a pressão utilizados na produção industrial. No entanto, esses tipos de trocadores de calor não são muito comuns na recuperação de calor residual. 　　Os trocadores de calor de tipo parede intermediária incluem, principalmente, os trocadores de tipo tubular, os de tipo placa e os de fluxo conjunto. Embora os trocadores de tipo tubular tenham uma eficiência térmica menor, com média de apenas 26% a 30%, além de serem menos compactos e exigirem mais material metálico em comparação com outros tipos de trocadores de calor, eles possuem a vantagem de terem estrutura robusta, grande flexibilidade de aplicação e uma ampla gama de materiais disponíveis. Por isso, são os equipamentos de troca de calor mais utilizados na recuperação de calor residual em indústrias. 40% dos equipamentos de troca de calor das empresas metalúrgicas são trocadores de calor de tipo tubular, que permitem que a temperatura do gás de entrada seja superior a 1.000°C; a temperatura do gás de saída fica em torno de 600°C, resultando em uma diferença média de temperatura de aproximadamente 300°C. 　　Os trocadores de calor de placas incluem os tipos com aletas, os de placas em espiral e os de tipo placa-casco. Em comparação com os trocadores de calor tubulares, seu coeficiente de transferência de calor é aproximadamente o dobro do dos trocadores de tipo placa-casco. Além disso, possuem alta eficiência na transferência de calor, estrutura compacta e economizam materiais. Na indústria metalúrgica, as empresas de pequeno e médio porte costumam utilizar trocadores de calor de tipo placa para pré-aquecer o ar necessário para a queima. A taxa de recuperação de calor é, em média, de 28% a 35%. A temperatura dos gases de entrada é de aproximadamente 700°C, enquanto a temperatura dos gases de saída chega a 360°C. No entanto, devido às maiores restrições em termos de temperatura de operação e relação de pressão em comparação com os trocadores de calor tubulares, seu campo de aplicação é limitado. 　　Para a recuperação dos gases quentes provenientes de vários fornos industriais, também são frequentemente utilizados trocadores de calor em fluxo contínuo. Existem dois tipos principais: os de tipo radiação e os de tipo convecção. Eles são amplamente utilizados em equipamentos como fornos de homogeneização e fornos de aquecimento, com o objetivo de recuperar o calor residual dos gases, pré-aquecer o ar ou o combustível necessário para a queima, e assim reduzir a quantidade de gases emitidos e a temperatura desses gases. Nos trocadores de calor por convecção radiativa comuns, a temperatura do ar de combustão na entrada pode ultrapassar 1.100°C, enquanto a temperatura do ar de combustão na saída também pode chegar a 600°C. É possível aquecer o ar de combustão até 400°C, o que resulta em um bom desempenho no processo de combustão. A eficiência térmica pode chegar a mais de 40%, mas a taxa de recuperação de calor é baixa, ficando em média entre 26% e 35%. 　　(2) Trocador de calor de armazenamento de calor – O princípio dos equipamentos de troca de calor de armazenamento de calor é o fluxo alternado de fluidos quentes e frios através dos elementos de armazenamento de calor, a fim de realizar a troca de calor. Trata-se de um equipamento de troca de calor que opera de forma intermitente, sendo adequado para recuperar o calor residual gerado de forma intermitente. É frequentemente utilizado para a troca de calor entre meios gasosos a altas temperaturas, como no aquecimento de ar ou materiais. 　　De acordo com o meio de armazenamento de calor e a forma como a energia térmica é armazenada, os sistemas de troca de calor por armazenamento de calor podem ser divididos em armazenamento de calor sensível e armazenamento de calor latente de transformação de fase. O armazenamento de energia por calor é utilizado há muito tempo; existem equipamentos simples de troca de calor, como os trocadores de calor rotativos comuns, e equipamentos mais complexos, como os fornos de ar quente com armazenamento de calor utilizados nas altas fornalhas de produção de ferro. Devido às desvantagens dos equipamentos de troca de calor para armazenamento de energia térmica, como baixa densidade de armazenamento, grande volume e incapacidade de manter uma temperatura constante, eles têm limitações na recuperação de calor residual industrial. Os equipamentos de armazenamento e troca de calor por meio do calor latente de transformação utilizam a capacidade térmica inerente aos materiais de armazenamento, bem como o calor latente de transformação, para armazenar e transferir energia. Sua densidade de armazenamento é pelo menos uma ordem de grandeza maior do que a dos equipamentos de armazenamento por calor sensível. Portanto, para armazenar a mesma quantidade de calor, esses equipamentos ocupam um volume 30% a 50% menor em comparação com os equipamentos tradicionais de armazenamento de calor. 　　Além disso, a saída de calor é estável, a temperatura do meio de troca térmica permanece praticamente constante, e o estado operacional do sistema de troca térmica é estável – esses são outros vantagens dos equipamentos de armazenamento de energia por meio do calor latente de transformação de fase. Os materiais de armazenamento de energia por transformação de fase são classificados, de acordo com sua temperatura de transformação, em materiais de alta temperatura e materiais de baixa e média temperatura. Os primeiros possuem alta temperatura de transformação e grande quantidade de calor latente durante a transformação. São feitos principalmente a partir de sais inorgânicos e suas misturas, álcalis, metais e ligas, além de matrizes cerâmicas ou metálicas. São adequados para a recuperação de calor em altas temperaturas, entre 450 e 1.100°C ou mais, sendo amplamente utilizados nesse contexto. Já os segundos são compostos principalmente por sais hidratados cristalinos ou substâncias orgânicas, sendo adequados para a recuperação de calor em baixas temperaturas. 　　(3) Equipamentos de troca de calor baseados em tubos térmicos. Os tubos térmicos são componentes eficientes para a condução de calor. Eles transferem calor por meio do processo de transformação de fase de evaporação e condensação do fluido dentro de um tubo vácuo completamente fechado, além da troca de calor entre as paredes internas do tubo. Trata-se, portanto, de um dispositivo de armazenamento e troca de calor que combina essas funções em um único sistema. Os tubos térmicos possuem excelente capacidade de condução de calor; seu coeficiente de transferência de calor é quase uma ordem de grandeza maior do que o dos trocadores de calor metálicos tradicionais. Além disso, eles apresentam boas propriedades de isotermia, permitem o controle da temperatura, têm alta capacidade de transferência de calor, a área de transferência de calor em ambos os lados pode ser ajustada conforme necessário, permitem a transferência de calor a longas distâncias, e não exigem equipamentos auxiliares para funcionar. O funcionamento dos tubos térmicos requer a seleção de materiais e fluidos adequados, de acordo com as diferentes temperaturas de uso. O tubo térmico a gravidade de aço carbono e água possui estrutura simples, custo baixo, é fácil de fabricar e pode ser facilmente disseminado, o que faz com que esse tipo de tubo térmico seja amplamente utilizado. Na prática, os tubos de calor são utilizados em temperaturas entre 50 e 400°C, para recuperação de calor em fornos de secagem, fornos de assimilação e outros equipamentos semelhantes, bem como para a recuperação de vapor residual. Eles também são usados em pré-aquecedores de ar em caldeiras ou fornos. 　　(4) Caldeiras de recuperação de calor – O uso de geradores de vapor, ou seja, caldeiras de recuperação de calor, é um meio importante para aumentar a eficiência no uso de energia. Quase 80% do calor residual dos gases de escape na indústria metalúrgica é recuperado por meio dessas caldeiras, o que resulta em uma economia significativa de energia. 　　Nos caldeiras de calor residual, não ocorre processo de combustão. Em vez disso, utiliza-se o calor residual dos gases quentes, o calor residual das reações químicas, o calor residual dos gases combustíveis, bem como o calor residual dos produtos aquecidos, para produzir vapor ou água quente, que são utilizados nos processos industriais ou para fornecer calor através da rede de distribuição. Ao mesmo tempo, os caldeiras de calor residual são equipamentos importantes nos sistemas de geração de energia com turbinas a baixa temperatura, pois fornecem o vapor necessário para que as máquinas térmicas, como as turbinas, possam funcionar. 　　Na prática, são utilizados com maior frequência caldeiras que aproveitam o calor residual dos gases de alta temperatura, entre 350 e 1.000°C. Em comparação com as temperaturas de operação das caldeiras a carvão, trata-se de caldeiras de baixa temperatura, cuja eficiência é menor. Como os gases de resfriamento contêm grande quantidade de poeira e substâncias corrosivas, eles causam com mais facilidade problemas como acúmulo de cinzas, corrosão e desgaste no caldeirão. Portanto, prevenir o acúmulo de cinzas e o desgaste é fundamental no projeto de caldeiras de resfriamento. O tipo de forno de fluxo direto, a câmara de resfriamento por radiação de grande capacidade, as paredes do forno seladas, a câmara de remoção de poeira e os numerosos dispositivos de vibração para remoção de cinzas são todas soluções estruturais adotadas pelos caldeiras a calor residual para resolver os problemas de acúmulo de poeira e desgaste. Além disso, devido às limitações de espaço no local de produção, os caldeiras de calor residual possuem seus componentes de troca de calor instalados em diferentes partes do processo produtivo, em vez de serem montados como um único conjunto, como acontece nas caldeiras comuns. 　　Nos últimos dez anos, com o avanço dos esforços para reduzir o consumo de energia e as emissões, as principais empresas nacionais especializadas no projeto e fabrico de caldeiras de recuperação de calor passaram a se desenvolver mais rapidamente. Essas caldeiras vêm se tornando cada vez maiores e operam sob condições de maior pressão. Por exemplo, na indústria metalúrgica, existem caldeiras capazes de evaporar 50 toneladas por hora, com uma pressão de operação de 4,2 megapascals. Já na indústria siderúrgica, existem caldeiras capazes de evaporar 100 toneladas por hora, com uma pressão de operação de 12,5 megapascals. Além disso, melhorar ainda mais a eficiência de transferência de calor do caldeirão e a taxa de utilização do calor, reduzindo problemas como acúmulo de cinzas e desgaste, envolve reformas e inovações nos métodos de circulação do caldeirão, na estrutura das superfícies de aquecimento, nos canais de fluxo do ar dentro do caldeirão e nos métodos de limpeza. Isso constitui o principal conteúdo do progresso tecnológico nos caldeirões a uso de calor residual. 　　2. Tecnologia de conversão térmica em trabalho: A tecnologia de troca de calor recupera os resíduos térmicos na forma de energia térmica, por meio da redução do grau de temperatura. Trata-se de um uso subótimo dessa energia, que não consegue atender às necessidades de consumo de eletricidade nos processos industriais ou dentro da empresa. Além disso, a utilização de tecnologias de troca de calor para recuperar a grande quantidade de calor residual de baixa e média temperatura não gera benefícios significativos. Portanto, a utilização da tecnologia de conversão térmica em trabalho é outra técnica importante para elevar a qualidade do calor residual, visando assim recuperar o calor residual industrial. 　　De acordo com a classificação dos fluidos utilizados, as tecnologias de conversão de calor em trabalho podem ser divididas nas tecnologias tradicionais que utilizam água como fluido de trabalho, nas turbinas a vapor, e nas tecnologias que utilizam fluidos orgânicos de ponto de ebulição baixo. Devido às diferenças significativas nas propriedades do fluido de trabalho, os sistemas e equipamentos correspondentes para recuperação de calor residual também possuem características próprias. Atualmente, a principal aplicação é o uso da água como meio de trabalho, com caldeiras de calor residual + turbinas a vapor ou expansores, formando um sistema de turbina a vapor de baixa temperatura para geração de energia. 　　A geração de energia por turbinas a baixa temperatura pode utilizar como fonte de calor residual os gases quentes com temperatura acima de 350°C, como os gases provenientes dos fornos utilizados nas indústrias de vidro e cimento. Também podem ser utilizados gases cuja temperatura foi reduzida para entre 400 e 600°C após serem utilizados pela primeira vez. A potência de cada unidade varia de alguns megawatts a dezenas de megawatts. Existem várias formas de geração de energia a partir do calor residual, como a geração de energia a partir do calor residual dos altos-fornos utilizados na indústria siderúrgica, a geração de energia a partir do calor residual do processo de sinterização, a geração de energia a partir do calor residual do processo de coqueificação, e a geração de energia a partir do calor residual na indústria de cimento. Mas, considerando a faixa de temperatura dos recursos de calor residual, essa tecnologia pertence à categoria das tecnologias de geração de energia a partir de calor residual em temperaturas médias e altas. 　　Além disso, uma grande quantidade de vapor é recuperada do processo industrial por meio de caldeiras de resfriamento ou trocadores de calor. Dessa quantidade, um grande percentual é composto por vapor saturado a baixa pressão, de aproximadamente 1 megapascal, ou água quente. Grande parte desse vapor excedente acaba sendo descartado. Atualmente, a utilização dessa tecnologia de geração de energia a partir de vapor saturado de baixa pressão baseia-se principalmente na tecnologia de motores de expansão por parafuso. Esta tecnologia possui as seguintes características: pode utilizar vários tipos de fluidos termoelétricos como fonte de energia; é adequada para vapor superaquecido, vapor saturado e misturas de fase gasosa e líquida. Também pode ser utilizada com gases de combustão, água quente contaminada e líquidos quentes. Sua estrutura é simples e compacta; permite ajuste automático da velocidade de rotação, tem longa vida útil e gera poucas vibrações. A velocidade do fluxo dentro do equipamento é baixa, o que resulta em poucas perdas de energia, além das perdas causadas por vazamentos. Além disso, sua característica de dois rotores sem contato permite a formação de um efeito de cisalhamento, o que confere ao equipamento capacidade de autolimpeza e remoção de incrustações. 　　O motor de expansão por parafuso pertence à categoria dos motores de expansão volumétrica. Devido às limitações em sua capacidade de expansão, as fontes de calor que podem acionar diretamente esse tipo de motor são vapor com pressão entre 0,15 e 3,0 megapascals e temperatura inferior a 300°C, ou água quente com pressão acima de 0,8 megapascals e temperatura superior a 170°C. Devido às características estruturais, a potência de um único motor de expansão por parafuso é limitada; na maioria dos casos, ela fica abaixo de 1.000 quilowatts. Esse tipo de motor é utilizado principalmente em situações em que há uma pequena quantidade de calor residual disponível. 　　3. Tecnologias de refrigeração e aquecimento (1) Tecnologia de refrigeração por aproveitamento de calor residual Em comparação com os sistemas de refrigeração por compressão convencionais, os sistemas de refrigeração por absorção ou adsorção podem utilizar fontes de energia baratas e energia térmica de baixa qualidade, evitando assim o consumo excessivo de eletricidade e resolvendo o problema da escassez de energia elétrica. Eles utilizam refrigerantes naturais, que não contêm substâncias clorofluoradas que prejudicam a camada de ozônio. Por isso, possuem grande capacidade de economia de energia e benefícios ambientais. Essas tecnologias foram amplamente adotadas no final do século XX. 　　As características dos ciclos termodinâmicos das tecnologias de refrigeração por absorção e adsorção são muito semelhantes. Ambas seguem o mesmo processo ciclo: “geração (separação) – condensação – evaporação – absorção (adsorção)”. No entanto, no caso da refrigeração por absorção, a substância utilizada para a absorção é um líquido com boa fluidez. Os agentes refrigerantes utilizados incluem soluções de amônia em água ou soluções de brometo de lítio em água. Os processos de geração e absorção ocorrem por meio de geradores e absorvedores. Já na refrigeração por adsorção, o adsorvente geralmente é um meio sólido. Existem dois tipos de adsorção: física e química. São frequentemente utilizadas combinações como zeólita em água ou cálcio clorídrico em amônia. Os processos de separação e adsorção ocorrem por meio de absorvedores. 　　Os sistemas de refrigeração por absorção que utilizam soluções aquosas de brometo de lítio como fluido refrigerante são os mais amplamente utilizados. Geralmente, é possível utilizar fontes de calor a temperaturas entre 80 e 250°C. No entanto, como o água é usada como refrigerante, é possível obter temperaturas de refrigeração de apenas 0°C ou acima de 5°C. Esses sistemas são frequentemente utilizados para ar-condicionado ou para gerar água gelada em indústrias. A eficiência energética desses sistemas varia bastante, dependendo das propriedades térmicas do fluido refrigerante e do modo de funcionamento do sistema termodinâmico. Na prática, a eficiência energética dos sistemas de refrigeração por absorção geralmente não excede 2, o que é muito menor do que nos sistemas de refrigeração por compressão. No entanto, esses tipos de unidades podem utilizar calor residual industrial de baixa temperatura, energia solar, energia geotérmica e outras fontes de energia de baixa qualidade, sem consumir eletricidade de alta qualidade, o que lhes confere uma certa vantagem na utilização do calor residual industrial. As unidades de refrigeração por absorção com recuperação de calor têm alta eficiência de refrigeração, sendo adequadas para a recuperação de grandes quantidades de calor residual. A capacidade de refrigeração pode variar de algumas dezenas de quilowatts até vários megawatts. Essas tecnologias já são amplamente utilizadas no país, sendo uma tecnologia madura, com uma gama completa de especificações e tipos de produtos disponíveis. 　　Existem muitos tipos de pares de substâncias utilizadas como refrigerantes em resfriadores por adsorção, incluindo pares de substâncias com adsorção física, pares de substâncias com adsorção química e pares de substâncias com adsorção composta. Esses sistemas funcionam em uma ampla faixa de temperaturas da fonte de calor. Além disso, não são necessárias bombas de solução ou dispositivos de destilação. Também não há problemas como poluição do resfriador, cristalização de soluções salinas ou corrosão nos metais. Os sistemas de refrigeração por adsorção possuem estrutura simples, não geram barulho nem poluição, e podem ser utilizados em ambientes sujeitos a vibrações, como carros e navios. No entanto, sua eficiência de refrigeração é relativamente baixa; o coeficiente de desempenho dos sistemas mais comuns fica abaixo de 0,7. Devido às limitações dos processos de fabricação, a capacidade de refrigeração é pequena, geralmente inferior a algumas centenas de quilowatts. Por isso, esses sistemas são mais adequados para a recuperação de calor residual ou para sistemas de cogeração de calor e eletricidade. 　　(2) Tecnologia de bombas de calor: Na produção industrial, existem grandes quantidades de calor residual com temperatura ligeiramente acima da temperatura ambiente (30–60°C), como a água utilizada no processo de remoção de resíduos industriais e as águas residuais dos campos petrolíferos. Embora a temperatura desses resíduos seja baixa, a quantidade de calor contido neles é grande. A tecnologia de bombas de calor é frequentemente utilizada para recuperar esses recursos de calor residual. 　　A bomba de calor consome uma parte de energia de alta qualidade (energia elétrica, energia mecânica ou energia térmica de alta temperatura) como compensação. Por meio do ciclo termodinâmico do resfriador, ela “bombeia” o calor proveniente de fontes de calor de baixa temperatura para um meio termal de alta temperatura, como água quente acima de 50°C. Isso permite atender às necessidades de água quente em áreas industriais, agrícolas e comerciais, bem como para fins de destilação, concentração, secagem e aquecimento de edifícios. Atualmente, o coeficiente de aquecimento das bombas de calor está entre 3 e 5. Ou seja, para cada 1 quilowatt-hora de energia elétrica consumida, é possível gerar de 3 a 5 quilowatts de calor. Em determinadas condições, trata-se de uma tecnologia economicamente viável para aproveitar o calor residual das águas residuais, que tem temperatura ligeiramente superior à temperatura do ambiente. 　　Atualmente, a maioria dos modelos desenvolvidos e produzidos são bombas de calor de tipo compressivo. Bombas de calor de tamanho médio estão em fase de desenvolvimento, enquanto as bombas de calor de grande porte ainda não existem. Nas bombas de calor de tipo compressivo, a tecnologia de bomba de calor a base de água é a mais amplamente utilizada. Ela pode ser aplicada para a recuperação do calor residual da água de resfriamento em usinas termelétricas ou nucleares, bem como em setores como tinturaria e indústria farmacêutica. Por exemplo, as usinas elétricas utilizam água em ciclo como fonte de calor. Por meio de unidades de bomba de calor, é possível elevar a temperatura da água utilizada nos caldeirões, passando de 15°C para 50°C. Dessa forma, diminui-se a necessidade de uso de carvão pelos caldeirões, o que contribui para a economia de energia e redução do consumo. 　　Em resumo, existem muitos tipos de equipamentos tecnológicos para a utilização do calor residual. No entanto, todos eles têm determinadas condições de aplicação. Portanto, é necessário escolher o método mais adequado para a utilização do calor residual, levando em consideração a temperatura e a quantidade de calor residual disponível, bem como as condições de produção, os processos industriais e as necessidades energéticas internas e externas. 　　Tecnologia de geração de energia a partir de calor residual industrial em baixas temperaturas, baseada em meios orgânicos 1. Ciclo Rankine orgânico em baixas temperaturas Para grandes quantidades de calor residual em baixas temperaturas, abaixo de 200°C, atualmente não é possível recuperá-lo de forma eficaz por meio de sistemas de flash de vapor ou água quente. Nesses casos, é mais adequado utilizar a tecnologia de geração de energia a partir de calor residual, baseada no ciclo Rankine orgânico, que é econômica e viável. 　　A tecnologia de geração de energia a partir do calor residual industrial em baixas temperaturas, baseada em meios orgânicos, pertence à categoria das tecnologias de conversão térmica em trabalho. O ciclo Rankine orgânico é um ciclo Rankine que utiliza substâncias orgânicas de ponto de ebulição baixo como fluido de trabalho. Seu princípio de funcionamento é semelhante ao dos ciclos termodinâmicos utilizados nos sistemas convencionais de geração de energia a vapor; a diferença está no tipo de fluido utilizado no ciclo. Além disso, o sistema é mais simples e compacto. Esse método de geração de energia oferece vantagens significativas para a utilização do calor residual em temperaturas baixas. O fluxo de calor residual não entra em contato direto com o fluido de trabalho. Além disso, o vapor do fluido orgânico tem baixa densidade volumétrica, o que permite o uso de tubulações menores e de uma área de passagem menor nas turbinas. Isso resulta em maior potência por unidade de volume, o que o torna muito adequado para a recuperação de calor residual em baixas temperaturas. 　　A seleção do fluido orgânico é um aspecto importante na tecnologia de geração de energia a partir do calor residual no ciclo Rankine orgânico. Geralmente, espera-se que o fluido utilizado atenda aos seguintes requisitos: bom desempenho na geração de energia; bom desempenho na transferência de calor; propriedades termodinâmicas adequadas, como os parâmetros críticos e o ponto de ebulição à pressão atmosférica; boa estabilidade química, sem tendência à decomposição; baixo grau de corrosividade e toxicidade; ser ambientalmente seguro, além de não ser inflamável ou explosivo; além disso, deve ser econômico, estar disponível em grande quantidade e ter preço acessível. Porém, na prática, é difícil que o fluido utilizado atenda a todos os requisitos mencionados ao mesmo tempo. Além disso, à medida que as exigências internacionais em relação à proteção ambiental dos fluidos orgânicos aumentam, os fluidos disponíveis para uso vão sendo constantemente atualizados. Portanto, é necessário levar em consideração o tipo de fonte de calor e o nível de temperatura, de forma abrangente. 　　Nos equipamentos do sistema de geração de energia por ciclo Rankine orgânico, o projeto e a fabricação de trocadores de calor, bombas e válvulas de tubulações podem se basear nos equipamentos de troca de calor utilizados nas indústrias química e de refrigeração. O gerador faz parte de uma linha de produtos; apenas a seleção e o projeto da turbina expansora, bem como as técnicas de vedação, exigem abordagens diferentes, necessitando de um design não padronizado. As turbinas de expansão mais utilizadas são as turbinas axiais multietárias, adequadas para situações em que a temperatura é alta, o fluxo de fluido é grande, a queda de entalpia total é significativa e a capacidade requerida é elevada. No entanto, sua eficiência interna é relativamente baixa, e seu processo de fabricação é complexo. Já as turbinas radiais possuem eficiência interna maior, têm estrutura compacta e seu processo de fabricação é simples. Porém, sua capacidade por unidade é menor. Elas são amplamente utilizadas no exterior para a recuperação de calor residual, em situações em que a quantidade de calor residual a ser recuperado é pequena. 　　2. Ciclo de Kalina – É um ciclo Rankine orgânico com fluido de trabalho puro. Devido ao processo de evaporação isotérmica do fluido de trabalho, que absorve calor, esse processo não se combina bem com uma fonte de calor a baixa temperatura e em condições variáveis. Isso resulta em uma grande diferença de temperatura média na troca de calor, o que gera perdas irreversíveis significativas. O ciclo Kalina é um sistema de ciclo que utiliza uma mistura de amônia como fluido de trabalho. O ciclo termodinâmico mais simples é o ciclo de destilação em uma única etapa: a solução aquosa de amônia, com determinada concentração, é pressurizada por meio de uma bomba de água e aquecida em um pré-aquecedor. Em seguida, ela entra no caldeira de resfriamento residual, onde evapora, formando vapor de amônia superaquecido. Esse vapor é então usado para acionar uma turbina, gerando energia. Para resolver o problema do condensamento da mistura de amônia, é utilizado um complexo sistema de resfriamento por destilação, permitindo que o vapor residual da turbina se transforme novamente em uma solução com a mesma concentração original. Assim, o ciclo se completa. 　　No ciclo Kalina, o fluido de trabalho evapora sob condições de pressão constante e temperatura variável, o que reduz a irreversibilidade do processo de absorção de calor pelo fluido. Além disso, como o fluido de trabalho utilizado no processo de condensação contém baixo teor de amônia, isso supera a desvantagem do ciclo Rankine orgânico, que apresenta grandes perdas durante o processo de condensação. Existem análises teóricas que indicam que o ciclo Kalina apresenta desempenho 15% superior ao do ciclo Rankine orgânico com fluido simples. No entanto, em condições reais de operação, devido à complexidade do processo de evaporação do fluido misto a base de amônia, o ciclo Kalina não demonstra um desempenho excepcionalmente alto. 　　Estudos mostram que, na recuperação de calor a temperaturas médias e baixas, o ciclo Kalina e o ciclo Rankine possuem vantagens distintas, dependendo do tipo de calor residual a ser recuperado. Quando a temperatura e o fluxo são constantes, e o calor residual é descartado a uma determinada temperatura para ser utilizado no processo de produção, o sistema de recuperação de calor a baixas temperaturas do ciclo Rankine orgânico apresenta vantagens significativas. 　　Conclusão: Atualmente, a taxa de utilização das energias térmicas de temperatura média e alta em nosso país ainda é baixa. Já a utilização das energias térmicas de baixa temperatura foi praticamente abandonada devido à imaturidade tecnológica. Portanto, para promover a redução do consumo de energia e das emissões nas indústrias, é necessário, por um lado, expandir ainda mais o uso das tecnologias de aproveitamento do calor residual em temperaturas médias e altas. Isso inclui aumentar a eficiência no uso desse calor pelas pequenas e médias empresas, além de otimizar todo o sistema de processos industriais e as tecnologias relacionadas ao aproveitamento do calor residual. Por outro lado, do ponto de vista do desenvolvimento tecnológico, a tecnologia de ciclo Rankine orgânico a baixas temperaturas representa uma solução econômica e eficaz para aproveitar o calor residual industrial a baixas temperaturas, bem como o calor geotérmico e a energia solar. No entanto, esse tipo de tecnologia ainda não é dominado no país. Portanto, é importante intensificar as pesquisas sobre ciclos Rankine orgânicos e outras tecnologias de geração de energia a partir de calor residual a baixas temperaturas, além de promover sua aplicação prática. Isso contribuirá significativamente para aumentar a eficiência no uso do calor residual de baixa qualidade.