Geração Elétrica Centrais Termoelétricas

Centrais Termoelétricas

Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen

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Geração Elétrica

Termoelétricas Convencionais:

Estrutura

Ciclos Termodinâmicos

Energia Termoelétrica

•Conceito: O processo fundamental de funcionamento das centrais termelétricas

baseia-se na conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em

energia elétrica.

•A conversão da energia térmica em mecânica se dá através do uso de um fluido

que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em máquinas (turbinas ou

motores) térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico acoplado ao

eixo da máquina permite a conversão de energia mecânica em elétrica.

TERMOELÉTRICAS CONCEITO E OBJETIVO

TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA

•Termoelétricas a Vapor Funcionamento:

O calor libertado na fornalha atreves da combustão de derivados do petróleo ou

carvão (centrais convencionais) ou libertado no reator por fissão nuclear (centrais

nucleares) é transmitido à água circulando a alta pressão no gerador de vapor

(caldeira) produzindo vapor. Este vapor é conduzido à turbina a vapor onde se

expande, fazendo-a rodar. Da turbina, o vapor segue para o condensador onde

circula água de arrefecimento também designada por água de condensação. A

água condensada retorna sob pressão (bombas) ao gerador de vapor.


•Termoelétricas a Vapor Funcionamento:

Centrais clássicas em funcionamento: as diferenças resultam fundamentalmente

pelo tipo de combustível utilizado (gases combustíveis, óleo ou carvão). Em

algumas centrais existe ainda a possibilidade de queima mista.


•Turbinas em geral:

Turbinas são equipamentos destinados à conversão de energia hidráulica ou

energia térmica em energia mecânica para produção de energia elétrica.


TURBINA A GÁS TURBINA A VAPOR

TURBINA HIDRUALICA


•Turbinas a Vapor

Historia: O primeiro motor movido a vapor que se tem registro e que foi

considerado com mero brinquedo foi o dispositivo chamado EOLÍPIA. Foi inventada

no primeiro século por Heron de Alexandria.


•Turbinas a Vapor

Historia: O surgimento da turbina a vapor genuína é associado aos Engenheiros

Carl Gustaf (1845 – 1013) da Suécia e Charles Parsons (1854 -1931) da Grã

Bretanha.

Parson's Compound Steam Turbine - 1887 Charles Parsons

•Gerador acoplado a turbina a vapor:

O primeiro turbogerador de Parsons de 1 MW foi instalado em Eberfeld na

Alemanha em 1899. Produziu eletricidade em fase simples a 4 kV, com a de

Parsons, a eletricidade torna-se barata e disponível, revoluciona o transporte

marítimo e a guerra naval, o mundo passa a não ser mais o mesmo


•Turbinas a Vapor

Conceito: è o equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor (energia

potencial) e a transforma em energia cinética devido a sua expansão através de

bocais. Esta energia é então transformada em energia mecânica de rotação devido

à força do vapor agindo nas pás rotativas (palhetas). Esta energia poderá ser

utilizada para mover equipamentos (maquinas a vapor) ou gerar energia elétrica.


Turbina a vapor Gerador

•Turbinas a Vapor Componentes:

Rotor: É o elemento móvel da turbina cuja função é transformar energia cinética do

vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos (palhetas).


•Turbinas a Vapor Componentes:

Estator: É o elemento fixo (que envolve o rotor) da turbina cuja função é

transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos

distribuidores.


Turbinas a Vapor Componentes:

Injetores: Os injetores orientam o jato de vapor sobre as palhetas móveis nos

rotores, sua quantidade e disposição dependem da potência da turbina.



Governadores: São componentes destinados ao controle de velocidade da turbina

a vapor. A variação de carga provoca variação de velocidade e consequentemente

variação de potencia. O governador ou regulador de velocidade tem a função de

manter a velocidade constante através da válvula de controle de admissão.

Poderão ser do tipo mecânico, hidráulico ou eletrônico.


Governador Mecânico (centrifugo)


Governadores hidráulico: Possui como elemento sensor de velocidade uma bomba

de óleo acionada pelo eixo da turbina. A pressão do óleo atua em um diafragma e

este por sua vez atua na alavanca da válvula de admissão de vapor.


PALHETAS

São chamadas palhetas móveis, as fixadas ao rotor; e fixas, as fixadas no estator.

As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas

móveis seguinte. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator

(carcaça), ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das

palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis, são

peças com a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores

(palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação

pela espiga e ao disco do rotor pelo malhete e, ao contrário das fixas, são

removíveis, conforme podemos ver da Figura 3.3 a Figura 3.4


Caldeira (gerador de vapor)

Classificação: As caldeiras podem ser classificadas de diversas

formas. Por exemplo:

Quanto à disposição da água em relação aos gases:

a) Flamotubulares;

b) Aquotubulares.

Quanto à energia empregada no aquecimento:

• A partir de combustíveis: sólidos; líquidos; gasosos;

• Elétricas: jatos-de-água; eletrodos submersos; resistores; ou

• Caldeiras de recuperação; gases de outros processos;

recuperação química.



Caldeiras FLAMOTUBULARES (tubo-de-fogo, tubo-de-fumaça , pirotubular)

Foi o primeiro tipo de caldeira construída, recebe este nome devido os gases

quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos, ficando a

água por fora dos mesmos. De construção simples, mesmo com o aparecimento de

caldeiras mais modernas ainda continua em uso. Na Figura nota-se que a caldeira

flamotubular é um cilindro externo que contém água e um cilindro interno destinado

à fornalha.


Flamotubulares Compactas:

De pequeno porte, o combustível é queimado em câmara vedada de forma

cilíndrica denominada fornalha. Os gases da combustão são conduzidos pde forma

natural ou forçada por meio de uma chaminé. Os gases quentes circulam dentro do

feixe tubular, transmitindo para suas paredes a energia térmica por condução e

convecção de calor. Tanto a câmara de queima quanto o feixe tubular deverão

estar totalmente cobertos por água, que aquecerá e mudará de estado. Muito

utilizadas para vazões reduzidas (1 a 15 t/h e presões de 7 a 20 kg/cm2) em

hospitais, lavanderias, cervejarias, hotéis e indústrias de pequeno e médio porte.


Caldeiras verticais

Têm as mesmas características da caldeira horizontal multitubular. Os tubos são

colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna fica no corpo do

cilindro. Existem tipos cuja fornalha é externa, é usada em locais onde o espaço é

reduzido. Não requer grande quantidade de vapor, mas alta pressão. Os gases

resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água que se

encontra por fora dos mesmos. Aplicada principalmente quando é usado

combustível de baixo PCI (bagaço de cana, casca de laranja, etc.).


Caldeiras Aquotubulares

Um feixe tubular de água compõe a parte de absorção de calor, no interior dos

tubos circula a água e por fora os gases quentes através do caminho formado pela

alvenaria e chicanas internas. A água é vaporizada nos tubos que constituem a

parede mais interna. Recebendo calor primeiro vaporiza e sobe até o tambor

superior, dando lugar à nova quantidade de água fria que será vaporizada, e assim

sucessivamente. São chamadas caldeiras de circulação forçada, tem produção de

vapor de 600 até 750 t/h com pressões de 150 a 200 kgf/cm2 temperaturas de 450

a 500oC.


Condensadores

O Condensador é um trocador de calor por contato entre o vapor a ser condensado

e o meio refrigerante. O vapor a ser condensado circula internamente aos tubos de

um feixe tubular que ficam em posição horizontal com pequeno desnível para

facilitar a drenagem de condensado. Nos condensadores casco tubo a agua de

resfriamento é que circula internamente aos tubos e o vapor a ser condensado flui

externamente aos tubos.


Bombas para Termoeletricas

Levam a agua da saída do condensador a entrado do Gerador de Vapor,

promovem acréscimo de pressão ao fluido antes de entrar na caldeira.

Geração Termelétrica

CICLOS TERMODINÂMICOS

A conversão de energia termica em mecânica é baseada nos principais ciclos

termodinâmicos (teóricos e práticos). Os ciclos termodinâmicos nos quais se

baseiam o funcionamento das termoeletricas são:

• Termelétricas a vapor: ciclo a vapor (Rankine)

• Termelétricas à gás: ciclo a ar (Brayton)

• Motores: ciclo a ar (Diesel, Otto)

Termoelétricas a Vapor Funcionamento:

Do ponto de vista termodinâmico o ciclo de geração de potência a vapor é

conhecido como ciclo ‘Rankine’. Este ciclo possui algumas modificações que visam

aumentar a eficiência de operação da instalação.

Líquido Subresfriado: Quando a temperatura do líquido é menor que a

temperatura de saturação à pressão existente.

Geração Termelétrica – Conceitos de Termodinamica

Mudanças de Fase:

O termo temperatura de saturação designa a temperatura na qual ocorre a

vaporização a uma dada pressão, esta pressão é chamada de pressão de

saturação para a dada temperatura. A temperatura de saturação da água a 0,1

MPa é 99,6°C e a pressão de saturação a 99,6°C é 0,1 MPa.

Líquido Saturado: Se uma substância se encontra como líquido à temperatura e

pressão de saturação diz-se que ela está no estado de líquido saturado.


X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor)

Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

Mudanças de Fase:

Título “X”: Substância que se encontra como parte líquida e parte vapor (vapor

úmido).

A relação entre a massa de vapor pela massa total. Exemplo: Se a massa de vapor

for 0,2 kg e a massa do líquido for 0,8 kg na figura abaixo, o título será 0,2 ou 20%.


Mudanças de Fase:

Considere 1 kg de água no sistema cilindro-êmbolo, o êmbolo mantém a

pressão do sistema em 1,014 bar, a temperatura inicial da água é de 15 ºC. Ao

se Fornecer calor ao sistema, a temperatura aumenta consideravelmente e o

volume também aumenta, a pressão permanece constante.




Mudanças de Fase:

Quando a água atinge 100 ºC, uma pequena quantidade de calor implica em

mudança de fase, uma parte do líquido torna-se vapor com pressão constante e

temperatura constante, porém, a quantidade de vapor aumenta (aumenta o volume

específico).




Mudanças de Fase:

Quando a última porção de agua tiver vaporizado, uma pequena quantidade de

calor resulta em aumento da temperatura e do volume específico.




Mudanças de Fase:

Vapor Saturado: Se uma substância se encontra completamente como vapor na

temperatura de saturação, é chamada “vapor saturado”. Neste caso, o título é igual

a 1 (100%), pois, a massa total (mt) é igual à massa de vapor (mv). Tambem

chamado de “vapor saturado seco”.




Mudanças de Fase:

Vapor Superaquecido: Ocore quando o vapor encontra-se a temperatura

supeerior a temperatura de saturação. A pressão e a temperatura do vapor

superaquecido são propriedades independentes, e neste caso, a temperatura

pode ser aumentada para uma pressão constante.




Mudanças de Fase:

Propriedades Independentes das Substâncias Puras

Propriedade de uma substância é qualquer característica

observável dessa substância. As propriedades

termodinâmicas mais comuns e mensuráveis são:

1. Temperatura (T),

2. Pressão (P),

3. Volume específico (v)

4. Massa específica (r).

Outras propriedades termodinâmicas usadas na análise de

transferência de energia (calor e trabalho), porém, não

mensuráveis diretamente são:

•Energia interna (u),

•Entalpia (h)

•Entropia (s).



Energia Interna (U): É a energia originada pelo movimento e/ou forças

intermoleculares. As mudanças na velocidade das moléculas são identificadas pela

alteração da temperatura, as variações na posição das moleculas são identificadas

pela mudança de estado (sólido, liquido ou vapor).



Entalpia (H):

•Pode ser definida como quantidade de calor de um material.

•Representa a máxima energia de um sistema termodinâmico, teoricamente

passível de ser removida na forma de calor.

•É determinada matematicamente pela relação: H = U + P.V,



Entropia (S) - Representa medida da desordem molecular. Um aumento da entropia

significa um diminuição da organização de um sistema (mias desordem).

•De segunda lei da termodinâmica: Trabalho pode ser completamente convertido

em calor, porém, a energia térmica não pode ser completamente convertida em

trabalho.

•A entropia procura mensurar a parcela de energia que não pode mais ser

transformada em trabalho em transformações termodinâmicas à dada temperatura.

Recipiente 1: mais organizado, menor entropia;


Recipiente 2: menos organizado, maior entropia

Tabelas de Propriedades Termodinâmicas

Existem tabelas de propriedades termodinâmicas para todas as

substâncias de interesse em engenharia, são divididas em três

categorias:

Tabela que relaciona as propriedades de saturação (líquido saturado e

vapor saturado).

Tabelas de vapor superaquecido.

Tabela que relaciona as propriedades do líquido comprimido (ou

líquido subresfriado),


Tabelas de Propriedades Termodinâmicas

•Em todas as tabelas as grandezas estão disponibilizadas em função da

temperatura ou pressão e em função de ambas.

•Para a região de liquido + vapor, (vapor úmido), conhecido o título, x, as

propriedades devem ser determinadas através das seguintes equações:


Tabelas de Propriedades

Termodinâmicas


Centrais a Vapor trabalham em um ciclo chamado CICLO RANKINE podendo ser

aberto ou ciclo fechado.

Para operação em ciclo aberto utiliza-se somente vapor no processo.

Em ciclos fechados, utiliza-se um ou mais fluidos em ciclos superpostos.

CICLO RANKINE


É um ciclo reversível que converte calor em trabalho. O calor externo é fornecido a

um laço fachado (água). O nome deste ciclo homenageia o escoces William John

Macquorn Rankine, professor da Universidade de Glasgow.

CICLO RANKINE


O ciclo de Rankine que consiste nos seguintes quatro processos:

CICLO RANKINE


Processo 1-2 O fluido é sugado (baixa pressão) e bombeado (alta pressão) utilizando-se

uma bomba externa (requer fonte de energia externa para se realizar).

Processo 2-3 O fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão

constante até se tornar vapor superaquecido (energia → carvão, gás natural, nuclear).

Processo 3-4 O vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho.

Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem.

Processo 4-1 O vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado até a condição

de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete.

CICLO RANKINE


CICLO DE RANKINE IDEAL:

Processso 1-2 : Expansão isentrópica do fluido de trabalho => vapor saturado (1) a mistura (2)

Processso 2-3 : Rejeição de calor a pressão constante (adiabática) => mistura (2) a liquido saturado (3)

Processso 3-4 : Compressão isentrópica do fluido => liquido saturado (3) a líquido comprimido (4)

Processso 4-1 : Transf. calor a pressão const.(adiabática) => liquido comprimido (4) a vapor saturado (1)

Turbina

Condensador

Bomba

Caldeira


A área abaixo da curva do processo 2-3 representa o calor transferido para a água

na caldeira.

A área abaixo da curva do processo 4-1 representa o calor rejeitado no

condensador.

A diferença entre estes dois valores (área definida pelo ciclo) representa o trabalho

produzido pelo ciclo (WUTIL).

CICLO RANKINE


AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE

A o rendimento de uma central termelétrica

depende da variação de grandezas onde se é

possível atuar. Na pratica pode-se atuar na

pressão e temperatura do fluido.


1. Aumento da temperatura na entrada da turbina (superaquecimento): Amenta o

rendimento e também o título (% de H2O em estado gasoso) do vapor na saída da

turbina.

2. Aumento da pressão máxima do vapor: Nesse caso, o trabalho líquido tende a

permanecer o mesmo e o calor rejeitado diminui, aumentando assim o rendimento.

AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE


EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (COM REGENERAÇÃO)

No sistema com regeneração, o fluido entra na caldeira como liquido comprimido no estado “4”,

será aquecido na fase liquida até o estado “a”. Como resultado: a temperatura media de adição de

calor é aumentada, tendendo a aumentar a eficiência térmica.


AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO)

A regeneração é efetuada por aquecedores de agua de alimentação, o vapor entra na

turbina de primeiro estagio no estado “1” e se expande até o estado “2”,


•No estado “2”, uma fração da vazão total de vapor é levada a um aquecedor de agua

operando na pressão “p2”.

•O restante do vapor se expande atraves da turbina de segundo estagio até o estado

“3”, em seguida este vapor é condensado em liquido saturado (estado “4”).



•Depois o vapor é bombeado até a pressão de extração e então introduzido no

aquecedor de agua de alimentação no estado “5”.

•Uma única corrente misturada deixa o aquecedor de agua de alimentação no estado

“6”. As vazões das duas correntes que entram no regenerador (aquecedor) dão origem

a uma corrente de saida no estado liquido saturado na pressão de extração.



•O liquido no estado “6” é então bombeado até a pressão do gerador de vapor

(caldeira) e entra no gerador de vapor no estado 7, sendo aquecido até o

estado “1”.



•Pelo diagrama, nota-se que adição de calor entre os estados “7” até “1” (fornecido

através da queima de combustível) para vaporizar e superaquecer será menor.

Como somente uma parte do escoamento total se expande através do segundo

estagio da turbina (processo 2-3) menos trabalho será necessário para produzir

energia mecânica.



O fluido é reaquecido após sair do condensador, aproveitando assim parte do calor

contido no fluido liberado pela turbina de alta pressão. Com isso, ocorre elevação

da temperatura média do fluido em circulação, o que aumenta da eficiência

termodinâmica do ciclo.

RANKINE REGENERATIVO NA TURBINA


Utiliza duas turbinas em série, a primeira recebe vapor da caldeira à alta pressão e

libera este vapor de tal forma a evitar sua condensação. O vapor é então

reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira e é utilizado para acionar uma

segunda turbina de baixa pressão.

Vantagem: Impede a condensação do vapor no interior das turbinas (evita danos

nas aletas da turbina).

AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REAQUECIMENTO)


O ciclo com reaquecimento possibilita temperaturas mais altas nos estágios da

turbina (evita condensação).

AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REAQUECIMENTO)


PERDAS NO CICLO RANKINE

Afastamento dos ciclos reais em relação aos ideais

•Perdas na tubulação por atrito e transferência de calor ao meio.

•Perdas de carga na caldeira;

•Perdas na turbina e na bomba, representadas pelo rendimento desses

equipamentos;

•Perdas no condensador (problemas análogos às perdas na tubulação).

Graficos das Propriedades Termodinâmicas

As propriedades termodinâmicas também poderão ser apresentadas através de

diagramas

1. T x s (temperatura x entropia específica),

2. h x s (entalpia específica x entropia específica).

3. T x n (temperatura x volume específico),

4. P x h (pressão x entalpia específica),



O mais conhecido desses diagramas é o diagrama h x s conhecido como

diagrama de Mollier. Uma das vantagem do uso destes diagramas é que eles

apresentam numa só figura as propriedades de líquido comprimido, do vapor úmido

e do vapor superaquecido.


temperatura x entropia específica



entalpia específica x entropia específica

entalpia específica x entropia específica


1. A região à esquerda da linha de liquido saturado (x=0) é a região de líquido

comprimido (líquido sub-resfriado). Aqui estão os dados referentes às tabelas de

líquido comprimido.

2. A região compreendida entre a linha de vapor saturado (x=1) e a linha de líquido

saturado (x=0) é a região de vapor úmido. Nesta região, em geral os diagramas

apresentam linhas de título constante.

3. A região à direita da linha de vapor saturado seco (x=1) é a região de vapor

superaquecido. (nesta região estão os dados contidos nas tabelas de vapor

superaquecido).


Graficos das Propriedades

Termodinâmicas

As figura representa o diagrama de Mollier

mais completo para a água.

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