Usinas Termelétricas: Custos, Ciclos e Aquecimento

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O custo de capital de uma usina geradora de energia pode variar amplamente, 
dependendo da tecnologia. Das tecnologias estabelecidas e convencionais — 
incluindo a nuclear, o combustível fóssil, as termelétricas, as solares, as eólicas e as 
usinas hidrelétricas —, os custos são bem diferentes. 
 
Sendo assim, assinale a alternativa correta que apresenta o custo de capital por kW 
de capacidade instalada conforme o tamanho da usina termelétrica aumenta. 
 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta, pois o custo de capital é 
importante porque representa a quantia que deve ser encontrada no início para 
financiar uma usina. Outro fator que afetará o custo será até que ponto os 
equipamentos devem ser importados. Uma vez instalada a usina, instalados todos os 
equipamentos e estando estes em funcionamento, o custo de capital por kW de 
capacidade instalada pode variar em decorrência do custo do combustível utilizado. 
Esse custo diminui conforme o tamanho da usina aumenta. O custo não pode 
permanecer o mesmo, aumentar, dobrar, nem triplicar, a não ser que o preço do 
combustível utilizado aumente muito, podendo tornar o empreendimento inviável. 
 
 
 
Um economizador de caldeira diz respeito a um dispositivo mecânico destinado a 
reduzir o consumo de energia ou executar uma função útil, como o pré-aquecimento 
de um fluido. Um economizador de caldeira é, essencialmente, um trocador de calor 
que torna um sistema mais eficiente em termos de energia. 
 
Considerando o excerto apresentado a respeito das usinas termelétricas e o 
economizador para caldeira, analise as afirmativas a seguir. 
 
I. O economizador para caldeira tem como função principal aquecer a água que entra 
com excesso de vapor. 
II. O economizador para caldeira tem como função principal aquecer o combustível 
pulverizado pelos gases de escape. 
III. O economizador para caldeira tem como função principal aquecer o ar de entrada 
pelos gases de exaustão. 
IV. O economizador para caldeira tem como função principal aquecer a água que entra 
pelos gases de escape. 
 
Está correto o que se afirma em: 
 
Sua resposta está correta. A afirmativa IV está correta, pois, nas caldeiras, 
economizadores são, geralmente, trocadores de calor projetados para trocar calor 
com o fluido, normalmente a água. A exaustão das caldeiras está na faixa de 
temperatura de 200 °C a 250 °C, logo, há uma grande quantidade de perdas da 
caldeira se nenhum dispositivo de recuperação de calor for instalado depois dela. 
 
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IV, apenas. 
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O processo ou ciclo de Rankine foi desenvolvido em 1859 pelo engenheiro escocês 
William J. M. Rankine. Trata-se de um ciclo termodinâmico que converte calor em 
energia mecânica, a qual geralmente é transformada em eletricidade por geração 
elétrica. A eficiência do ciclo de Rankine é limitada pelo alto calor de vaporização do 
fluido. 
 
Assim sendo, assinale a alternativa a seguir que apresenta a faixa de valores da 
eficiência do ciclo de Rankine para uma boa usina a vapor. 
 
Sua resposta está correta. A alternativa está correta, pois a eficiência do ciclo de 
Rankine em uma usina a vapor gira em torno de 35% a 45%. O ciclo Rankine tem as 
seguintes etapas: transferência de calor isobárica, expansão isentrópica, rejeição de 
calor isobárico e compressão isentrópica. 
 
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35% a 45%. 
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Antes de entrar na caldeira, é necessário controlar a temperatura da água de 
alimentação da caldeira e sua qualidade. Isso envolve a introdução de tratamento e 
aquecimento que fornecerão as condições ideais para uma longa vida útil da caldeira. 
 
Considerando o excerto apresentado, a respeito das usinas termelétricas e a 
importância de aquecer a água antes de alimentar a caldeira, analise as afirmativas a 
seguir. 
 
I. Os gases dissolvidos que corroem a caldeira são removidos. 
II. O estresse térmico surge devido à água fria que entra na caldeira e pode ser 
reduzido. 
III. Algumas impurezas transportadas pelo vapor e condensadas devido à corrosão na 
caldeira e ao condensador são precipitadas fora da caldeira. 
IV. Os gases dissolvidos que corroem a caldeira são misturados à água quente. 
 
Está correto o que se afirma em: 
 
Sua resposta está incorreta. A afirmativa IV está incorreta, pois o pré-aquecimento 
da água de alimentação é o método mais básico de desaceleração mecânica ou o 
processo de remoção do oxigênio dissolvido da água. A água a 21 ºC e a 0 psig 
contém aproximadamente 8,6 ppm; já a água a 66 ºC e a 0 psig contém 
aproximadamente 4,3 ppm; e a água a 100 ºC e a 0 psig contém aproximadamente 
0,0 ppm. 
 
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I, II, e III, apenas. 
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O uso da energia térmica é uma das principais e mais antigas formas de produzir 
eletricidade, denominado pela expressão “geração térmica”. Em uma usina 
termelétrica ou central termelétrica, a energia térmica é convertida em energia cinética, 
que é convertida em energia mecânica e, esta, por sua vez, é convertida em energia 
elétrica. 
 
Nesse sentido, assinale a alternativa correta a respeito das pressões de vapor 
geralmente utilizadas em usinas termelétricas. 
 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta, pois as pressões utilizadas 
em usinas termelétricas, geralmente, estão na faixa de 110 kg/cm² a 170 kg/cm². As 
turbinas são projetadas para condições operacionais específicas, como pressão de 
entrada de vapor, temperatura de entrada de vapor e pressão de exaustão ou vácuo 
de exaustão da turbina, o que afeta o desempenho das turbinas de maneira 
significativa. Variações nesses parâmetros afetam o consumo de vapor nas turbinas 
e sua eficiência. 
 
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110 kg/cm² a 170 kg/cm². 
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A melhor definição para uma turbina a vapor que se poderia dar é a conversão da 
energia térmica do vapor em trabalho mecânico, que é feito em um eixo de saída 
giratório. É uma espécie de máquina com motor térmico. Variando de pequeno a 
grande porte, as turbinas são feitas em uma ampla gama de capacidades de energia. 
 
Nesse sentido, assinale a alternativa correta a respeito do tipo das turbinas a vapor 
modernas. 
 
Sua resposta está correta. A alternativa está correta, pois as turbinas a vapor 
modernas são do tipo reação e impulso. Uma turbina de reação e impulso é uma 
forma de turbina na qual gases quentes e de alta velocidade produzem uma força 
aerodinâmica, como uma força de impulso conforme movem as pás da turbina na 
direção necessária. Nesse tipo de turbina, há uma palheta de estator e um arranjo de 
pás de rotor em que a área da base é um projeto de impulso, enquanto o topo é uma 
turbina de reação. 
 
 
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Turbinas de reação e impulso. 
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A turbina a vapor é uma turbina em que a energia potencial do vapor aquecido e 
comprimido produzido em um dispositivo especial, do gerador de vapor ou vapor de 
origem natural — por exemplo, de nascentes geotérmicas —, é convertida em energia 
cinética (quando o vapor se expande pelas pás da turbina em cascata) e, em seguida, 
em trabalho mecânico no eixo rotativo da turbina. 
 
Pensando nesse contexto, assinale a alternativa a seguir que apresenta o que ocorre 
com o vapor quando ele se expande na turbina. 
 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta, pois o volume ocupado pelo 
vapor quando se expande na turbina é aumentado, o que implica uma área muito 
grande de fluxo de saída da turbina. Conforme o valor se expande para preencher o 
espaço, ele acelera e reage contra as lâminas. As lâminas fixas exercem uma força 
no invólucro estacionário, enquanto as lâminas móveis exercem uma força e, 
portanto, um torque no rotor, gerando eletricidade. 
 
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Seu volume específico aumenta. 
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O ciclo de Rankine ou ciclo de vapor de Rankine é o processo amplamente utilizado 
por usinas de energia, como usinas movidas a carvão ou reatores nucleares. Nesse 
mecanismo, um combustível é utilizado para produzir calor dentro de uma caldeira, 
convertendo água em vapor, que, então, expande-sepor meio de uma turbina, 
produzindo trabalho útil. 
 
Pensando nesse contexto, assinale a alternativa correta a respeito da eficiência de 
Rankine em uma usina termelétrica. 
 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta, pois, no verão, a eficiência 
de Rankine diminui, visto que a densidade do ar é menor, logo, o compressor tem que 
trabalhar mais, com eficiência menor. A eficiência entre o dia e a noite muda pouco, 
já que o período de tempo é pequeno. A variação da eficiência do ciclo é mais 
perceptível no verão e no inverno, e não em todas as estações do ano. 
 
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Melhora no inverno em comparação ao verão. 
 
Dadas as amplas aplicações de eletricidade em todo o mundo, melhorar a eficiência 
das usinas termelétricas seria uma forma eficaz de reduzir o consumo total de energia 
e proteger o meio ambiente. Assim, melhorar a eficiência da geração de energia 
térmica sempre foi um tema central da indústria de geração de energia. 
 
Nesse contexto, assinale a alternativa correta que apresenta a eficiência geral de uma 
usina termelétrica. 
 
Sua resposta está incorreta. A alternativa está incorreta, pois a geração de energia 
moderna utiliza o ciclo regenerativo para maior eficiência. O ciclo de Rankine, 
também chamado “ciclo de vapor de Rankine”, é um ciclo termod inâmico que 
converte calor em energia mecânica. O ciclo de Carnot é o motor mais eficiente 
possível com base na suposição da ausência de processos de desperdício 
incidentais, como atrito; e na suposição de não condução de calor entre as diferentes 
partes do motor, em distintas temperaturas. A eficiência do motor Carnot é definida 
como a razão entre a produção de energia e a entrada de energia. 
 
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Eficiência do ciclo de Carnot. 
 
O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico no qual o calor é convertido em energia 
mecânica. Ele foi desenvolvido pelo engenheiro e físico William Johnson Macquorn 
Rankine, no século XIX. O ciclo de Rankine é amplamente utilizado em usinas 
termelétricas e nucleares. É considerado o ciclo mais prático devido à condensação 
completa do vapor no condensador. 
 
Considerando o excerto apresentado a respeito da geração térmica e do ciclo de 
Rankine, analise as afirmativas a seguir. 
 
I. O reaquecimento do vapor em estágio intermediário melhora a eficiência do ciclo de 
Rankine. 
II. O uso de regeneração de vapor para aquecimento de água de alimentação da 
caldeira piora a eficiência do ciclo de Rankine. 
III. O uso de altas pressões melhora a eficiência do ciclo de Rankine. 
IV. O uso de altas pressões piora a eficiência do ciclo de Rankine. 
 
Está correto o que se afirma em: 
 
Sua resposta está incorreta. A afirmativa II é falsa, visto que a eficiência térmica do 
ciclo de Rankine básico pode ser melhorada aquecendo a água de alimentação da 
caldeira com calor interno. No ciclo de energia do vapor regenerativo, o vapor é 
captado das portas de pressão intermediária na turbina e é utilizado para aquecer a 
água de alimentação. A afirmativa IV é falsa, pois existem muitos fatores que afetam 
a eficiência do ciclo de Rankine, como o fluido de trabalho, as temperaturas do 
evaporador e condensador, a água de resfriamento, a temperatura de 
superaquecimento, a eficiência do trocador de calor e as eficiências da turbina e 
bomba. 
 
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I e III, apenas.