Conceção de um sistema de aproveitamento de calor residual de um processo industrial

Abstract

A crescente consciencialização sobre a importância da sustentabilidade de processos e os regulamentos ambientais cada vez mais rigorosos incentivam o desenvolvimento de novas tecnologias visando a redução do consumo de energia primária de fontes não renováveis e métodos de produção de energia mais sustentáveis. Neste mesmo contexto surge o interesse em desenvolver investigações com foco no aproveitamento de energia e o aumento da eficiência desses sistemas. Os geradores termoelétricos enquadram-se nas poucas tecnologias que são modulares e que convertem diretamente calor em eletricidade. No entanto, a maior parte dos geradores termoelétricos existentes estão dimensionados para aplicações em pequena escala e de nicho porque até recentemente apresentavam um elevado custo por unidade de potência produzida e uma eficiência que não era competitiva com outras tecnologias. A presente dissertação teve como principal objetivo projetar e avaliar a viabilidade da utilização da tecnologia termoelétrica para aproveitamento da energia térmica desperdiçada numa cimenteira. Foi desenvolvido um novo gerador termoelétrico, com uma geometria otimizada para aplicações de larga escala usando como materiais termoelétricos o siliceto de magnésio tipo n e a tetrahedrite tipo p que são materiais promissores no que toca ao seu baixo custo e desempenho. A sua geometria foi otimizada através de uma simulação multifísica, obtendo-se para a geometria otimizada eficiência de cerca de 4% e uma produção de 0.62 kWe/m2 para um fluxo de gases a 300⁰C, que são valores promissores no que toca a materiais de baixo custo. Tendo-se obtido a geometria otimizada, foi dimensionado todo o sistema de aproveitamento de calor residual e criado um modelo de cálculo termo-económico do mesmo de maneira a avaliar a influência de algumas variáveis na potência elétrica produzida pelo sistema, obtendo-se valores próximos de 1 MWe para as melhores configurações e para períodos de retorno do investimento inferiores a 5 anos.

Growing awareness about global warming and environmental regulations is becoming ever more stringent, encouraging the development of new technologies by acting on more environmentally friendly energy production. In this context, an interest arose in developing investigations focusing on the energy recovery and the increase of the systems efficiency. Thermoelectric generators are among the few technologies that are intrinsically modular and can convert heat directly into electricity without moving parts, so they are nearly maintenance‐free and can work unattended for long periods of time. However, most existing thermoelectric generators are only suitable for small‐scale niche applications because they typically display a cost per unit power and a conversion efficiency that is not competitive with competing technologies. The present dissertation had as main objective to design and evaluate the feasibility of using thermoelectric technology in the reuse of wasted thermal energy in industrial processes. An application of the concept to the waste heat recovery in a cement plant was performed, assessing the feasibility of large-scale recovery of heat that is wasted in a hot air stream from a cement clinker cooler. A new thermoelectric generator was designed, with affordable thermoelectric materials and manufacturing process, evaluating their performance for different geometries, getting efficiency of 3.9% and power produced of 0.62 kWe per unit area for the optimal geometry, through a multiphysics simulation. Once the optimal geometry was obtained, the waste heat recovery system was dimensioned through the use of a thermal calculation model in which was possible to evaluate the influence of some variables in the electric power produced by the system, around 1 MWe for the best configurations. An economic analysis was also made to study the financial feasibility of the project.