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Geração de EnergiaElétrica
Joinville, 02 de Maio de 2012
Geração Termoelétrica a Gás
Fernando B. Prioste
Escopo dos Tópicos AbordadosConceitos básicos de termodinâmica;Centrais Térmicas a Gás:– Descrição de Componentes (Compressor+Turbina);– Algumas partes extraídas de: Dissertação de mestrado Leonardo V. Gomes - Itajubá 2003.
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Geração Termoelétrica a GásHistórico:– Hero de Alexandria 50 a 75 dC;
– Leonardo da Vinci (livro publicado em 1648)
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cata-vento montado em um eixo instalado no interior de uma chaminé, o qual através de um conjunto de engrenagens, permitia girar um espeto em uma churrasqueira.
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Geração Termoelétrica a GásApesar de diversos trabalhos, e do estabelecimento dasleis da termodinâmica por Carnot, Gibbs e Maxwell emmeados do século XIX, a primeira turbina a gás a gerarpotência foi desenvolvida no começo do século XX, após odesenvolvimento dos compressores multi-estágios:– rendimento da turbina não ultrapassava 3%.
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No final da década de 30, eram fabricadas turbinas a gásde 2000 kW;Surgiu a primeira patente utilizando a turbinas a gás parapropulsão de aviões, ou seja, a jato reação;
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Geração Termoelétrica a GásO uso mais importante das turbinas a gás tem sido naaviação praticamente todos os aviões, com exceção dosmenores.Nos anos 40 quando a turbina térmica a gás foi introduzidapara a geração de energia elétrica foi considerada umarevolução nos processos de geração de energia utilizandocombustíveis fósseis;Desde então, o progresso das turbinas a gás tem sidoenorme, existindo hoje turbinas que vão desde 0,2 a 350MW.Próximo a 1990, as turbinas a gás passaram a serresponsáveis por uma boa parte da geração deeletricidade das novas usinas térmicas, devido ao seu usono ciclo combinado.
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Geração Termoelétrica a GásOutros fatos que ajudaram na popularização da turbina a gás para geração de energia foram o desenvolvimento na aerodinâmica dos compressores e o aumento da temperatura máxima do ciclo devido ao aumento da suportabilidade térmica de materiais.
Combustíveis utilizados:Gás natural;Óleo combustível;Estão (estavam?) sendo feitas pesquisas para fazer com que o carvão mineral torne-se um combustível viável pode ser utilizado como combustível.
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Geração Termoelétrica a GásAs turbinas a gás estão associadas ao ciclo Brayton;As Turbinas a gás possuem 3 partes componentes principais:– Um compressor de gás;– Uma câmara de combustão ou queimador;– Uma turbina
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O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor. Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna. Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil.
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Geração Termoelétrica a GásEsquemas termodinâmicos de ciclo Brayton paraTurbinas a gás:– Pode ser subdividido em dois:
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Geração Termoelétrica a GásEsquemas termodinâmicos de ciclo Brayton paraTurbinas a gás:
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Ciclo aberto:Geração de energia elétrica;Propulsão aérea e marítima.
Ciclo fechado:QH vem de um reator refrigerado
por gás;Exemplo: geração de energia
elétrica no espaço; Fernando B. Prioste
Geração Termoelétrica a GásResumo do ciclo Brayton:O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor;Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna;Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil.
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Geração Termoelétrica a GásCiclo Brayton ideal:Processo isentrópico - Ar a temperatura ambiente é “injetado” no compressor, onde é pressurizado;Processo isobárico - O ar comprimido vai para a câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo este ar – um processo a pressão constante;Processo isentrópico – O ar aquecido e pressurizado se expande na turbina produzindo trabalho. Parte deste trabalho é usada para acionar o compressor e o restante para gerar eletricidade (gerador);Processo isobárico – Rejeição de calor (na atmosfera).
Ciclo Brayton “real”:Processo adiabático - Compressão;Processo isobárico – Adição de calor;Processo adiabático – Expansão;Processo isobárico - Rejeição de calor (na atmosfera).
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Geração Termoelétrica a GásRendimento do ciclo Brayton ideal:
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( )1
1 1
2 2
1 1 1atmosfericaBrayton
saida compressor
TT PT T P
γγ
η
−
⎛ ⎞= − = − = −⎜ ⎟
⎝ ⎠Onde gama é a relação da capacidade de calor
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Geração Termoelétrica a GásRendimento do ciclo Brayton aumenta com a relação de pressão:
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Geração Termoelétrica a GásA potência específica do ciclo Brayton aumenta com a temperatura
na entrada daturbina
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Geração Termoelétrica a GásConfigurações de turbinas a gás:
Heavy-Duty: configuração é muito utilizada em operação que exige velocidade e carregamento constante, como é o caso da geração elétrica (também
utilizada em propulsão naval);– São robustas;– Flexíveis quanto ao uso de combustível;– Possuem alta confiabilidade, rendimento e custo menores que as
aeroderivastivas;– São turbinas a gás de ciclo simples de um eixo, um compressor (a
maioria axial), uma câmara de combustão (usualmente externa ao corpo da máquina) e uma turbina (a maioria axial);
– A razão (relação) de pressão pode variar de 5:1 a 15:1;– A temperatura máxima pode chegar até 1290ºC em algumas unidades
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Alstom GT8C
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: GT11E da ABB
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Sistema de entrada de ar
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial e radial
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Compressor axial.Compressor radial.
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Turbina
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty:
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Câmara de combustão
Turbina Gerador
Compressor
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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty – diagrama funcional:
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