Aula 2 - Termoeletricas

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Conforme foi visto na aula anterior, o princípio de geração elétrica passa pela conversão de energia mecânica em 
elétrica.
Nas Usinas Hidroelétricas o combustível, a água, é diretamente utilizado para gerar a força mecânica que irá girar o rotor 
do gerador que contém o campo magnético.
Outra forma de se criar força mecânica para girar um gerador é com o uso dos princípios térmicos. Neste caso, o 
combustível utilizado para as transformações necessárias não irá participar diretamente do processo de geração. Sendo 
assim neste caso utilizamos combustíveis secundários para geração.
Os combustíveis utilizados nas usinas termelétricas podem ser de origem renováveis ou não renováveis:
- Não renováveis - Carvão mineral, Gás natural, Urânio, Derivados do Petróleo, etc
- Renováveis - Biomassa, Biodiesel, Sol, etc.
Podemos classificar as centrais termelétrica como:
- Combustão interna - ocorre principalmente em turbinas a gás e em motores diesel (máquinas 
térmicas a pistão, de modo geral) de modo que o combustível entre em contato com o fluido de 
trabalho. A combustão ocorre na mistura ar-combustível.
- Combustão externa - ocorre principalmente em turbinas a vapor de modo que o combustível não 
entre em contato com o fluido de trabalho. Nesta, o combustível aquece o fluido de trabalho (em 
geral a água) em uma caldeira para produzir vapor. Essa transformação de líquido para vapor 
causa uma expansão do fluido no interior de uma turbina para produzir torque mecânico.
Outra classificação que podemos dar as centrais térmicas é em relação ao ciclo do fluido de trabalhos, 
fluido que irá efetivamente gerar energia elétrica.
Termelétricas
terça-feira, 23 de agosto de 2022 17:14
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fluido que irá efetivamente gerar energia elétrica.
- Quando o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico, embora passe por um 
mecânico temos a operação em ciclo aberto 
- Quando o fluido de trabalho sofre uma série de processos, mas retorna ao estado inicial, tem-se 
uma operação em ciclo fechado
Uma questão importante a ser levantada quando se utiliza usinas termelétricas na geração de energia 
elétrica é a emissão de gases do efeito estufa.
Em termos emissão as usinas que se utilizam carvão mineral e derivados de petróleo são as campeãs de 
emissão destes gases. Porém outros impactos ambientais devem ser levados em consideração, nos 
efluentes líquidos, e na emissão de partículas sólidas.
Quanto às usinas nucleares, os impactos ambientais se destacam principalmente quanto à 
contaminação pelos rejeitos radioativos que permanecem nocivos por milhares de anos. Sendo assim, 
os riscos maiores estão no descarte desses rejeitos, que devem ser armazenados em recipientes de 
chumbo ou concreto e monitorados constantemente, e também na contaminação derivada de acidentes
e vazamentos, tais como em Chernobyl (1986) e Fukushima (2011).
No quesito das etapas de transformação dos fluidos (entre estado líquido e gasoso, ou vapor), princípios 
de transformações isotérmicas, isobáricas e adiabáticas devem ser (re)visitados.
De acordo com os princípios da Termodinâmica, há várias formas de realizar transformações gasosas. 
Em uma transformação isotérmica, a temperatura (T) permanece constante havendo variação na 
pressão (P) e no volume (V). Em uma transformação isobárica P é constante havendo uma variação 
diretamente proporcional entre V e T. Em uma expansão adiabática quando V aumenta, P e T diminuem 
e, em uma contração adiabática, quando V diminui, P e T aumentam. Uma característica das 
transformações adiabáticas é que não há trocas de calor com o meio externo (Q = 0).
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No quesito de geração de potência e de energia por centrais termelétricas, um sistema térmico ideal 
(sem perdas) produz energia de acordo com a seguinte expressão: P = m(h − h ) 1 2 , sendo P a potência 
disponível (em kW), m a massa de fluido sendo transformado ao longo do tempo (em kg/seg), e h a 
entalpia específica do fluido (em kJ/kg), de modo que h1 e h2 são as entalpias na entrada e na saída da 
máquina, respectivamente. Para um sistema térmico real (com perdas): P = m(h − h ) 1 2 , sendo η o 
rendimento da máquina.
Na prática, as variáveis usualmente medidas para quantificar a geração de potência e de energia por 
centrais termelétricas são a pressão (P) e a temperatura (T).
Principais tipos de Centrais Termelétricas e princípios de funcionamento
Centrais a vapor (não nucleares)
São caracterizadas por operarem tanto em ciclo aberto quanto em ciclo fechado. Para a operação em
ciclo aberto, somente o vapor é utilizado no processo. Em ciclos fechados, utiliza-se um ou mais fluidos 
em ciclos superpostos.
O ciclo teórico de funcionamento das termelétricas a vapor baseia-se no ciclo de Carnot
Na prática, todavia, o princípio de funcionamento baseia-se no ciclo de Rankine. Vale ressaltar que, 
fazendo uma analogia do ciclo de Carnot, será apresentado a seguir o esquema de funcionamento de 
termelétricas a vapor sem e com superaquecimento do vapor.
É possível observar que a modificação básica em relação ao ciclo ideal de Carnot do tópico anterior é o 
deslocamento do final da condensação (ponto 1) para a linha de equilíbrio água/vapor. Nessa hipótese a 
bomba trabalha apenas com líquido (o que é positivo em termos operacionais), embora a turbina continue
operando com água e vapor (não desejável). 
Em suma:
Ciclo de Rankine sem superaquecimento do vapor:
1-2: Bombeamento adiabático reversível (dQ = 0).
2-3: Troca de calor à pressão constante na caldeira.
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2-3: Troca de calor à pressão constante na caldeira.
3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (dQ = 0).
4-1: Troca de calor à pressão constante no condensador.
Uma forma possível de aumentar a eficiência do processo é aumentar T3, deslocando também o T4 mais à 
direita, reduzindo assim o teor de água no processo. Para tal, instalar um dispositivo de superaquecimento 
na saída da caldeira é a alternativa. Assim, as termelétricas a vapor com superaquecimento
Ciclo de Rankine com superaquecimento do vapor:
1-2: Trabalho consumido pela bomba (ideal), sendo w12 = h1 - h2.
2-3: Calor fornecido pela caldeira, sendo Q23 = h3 - h2.
3-4: Trabalho fornecido pela turbina (ideal), sendo w34 = h3 - h4.
4-1: Calor cedido pelo condensador, sendo Q41 = h1 - h4.
Centrais a vapor (nucleares)
As tecnologias utilizadas em reatores modernos são bastante seguras e confiáveis
Reatores a água leve (LWR – Light Water Reactor): são aplicados a mais de 75% de todas as usinas 
nucleares em operação no mundo, por se tratarem de uma tecnologia bem econômica. Sendo assim, as
PWR (Pressurized Water Reactor) surgiram como um aperfeiçoamento das LWR, pois fazem uso de 
técnicas que possibilitam produzir mais potência elétrica por unidade de reator (uma PWR produz 1400 
Mwe por unidade de reator, enquanto uma LWR apenas 900 MWe).
Reatores a água pesada (HWR – Heavy Water Reactor): são aplicados a aproximadamente 8% das 
usinas ao redor do mundo. Trata-se também de um reator econômico e possui uma base regulatória e 
de infraestrutura muito bem estabelecida em países como Canadá, Argentina e Índia. Reatores a tubos 
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de infraestrutura muito bem estabelecida em países como Canadá, Argentina e Índia. Reatores a tubos 
de pressão e a vasos de pressão surgiram como variantes (adaptações) das HWR. As usinas HWR são 
limitadas a produzir até 900 MWe por unidade de reator, sendo que o seu tamanho físico é o principal 
limitador do aumento dessa capacidade.
Reatores super-regenerados rápidos (Fast Breeder Reactors) ou reatores refrigerados a metal líquido:
é uma tecnologia que não se destaca tanto, principalmente por causa da crescente disponibilidade de 
urânio a custos competitivos. Todavia, essa tecnologia merece destaque dentre as nucleares porque ela 
possui um rendimento bastanteacima das demais formas que fazem uso de urânio para
produção de energia elétrica.
Centrais a gás
Esse tipo de central trabalha tanto em circuito aberto como em circuito fechado. Nesse cenário, há dois tipos de turbina a gás, 
sendo eles: 
Turbinas aeroderivativas (circuito aberto) - são compactas e de peso reduzido, sendo indicadas para operação de pico ou regime 
de emergência (são baseadas em turbinas de aviões);
Turbinas industriais (circuito fechado) - são muito resistentes e robustas, sendo indicadas para operação na base.
As turbinas a gás, de modo geral, ainda possuem uma série de desafios tecnológicos, tais como: altas temperaturas são necessárias 
para um rendimento razoável; há uma limitação de potência devido
a um excessivo número de estágios do turbocompressor; só mais recentemente se melhorou o rendimento dos turbo 
compressores (até 85%). Nos casos das turbinas a circuito fechado, essas operam a temperaturas altíssimas (por volta de 1260 °C), 
superior às turbinas a vapor (cerca de 540 °C). Essas últimas, como foco do nosso estudo, têm seu princípio de funcionamento 
baseado no ciclo de Brayton.
Ciclo de Brayton:
- 1-2: Compressão adiabática do ar.
- 2-3: Aquecimento e expansão isobárica do ar na câmara de combustão.
- 3-4: O ar aquecido movimenta uma turbina num processo adiabático.
- 4-1: Resfriamento e contração isobárica do ar com o ambiente.
Centrais a diesel
Essas centrais são tipicamente utilizadas para fornecer energia para sistemas isolados, que operem 
isoladamente por determinado período de tempo. Seu uso, portanto, é comum em regiões afastadas de 
grandes centros de consumo, onde há acesso à geração convencional (ex.: Amazônia, Rondônia etc.), ou 
em hotéis, hospitais, shoppings, e outros empreendimentos usualmente de grande porte, que fazem uso 
desses geradores em horas de pico e em caso de emergência (falta de energia por parte da 
concessionária). Os valores de potência das centrais a diesel não ultrapassam 40 MW, logo, são 
limitadas com relação à potência fornecida. Além disso, ruído, vibração, dificuldade de aquisição de 
peças de reposição e os altos custos do combustível são fatores desvantajosos à sua aplicação. Suas 
vantagens, por outro lado, referem-se à simplicidade de operação, a facilidade de manutenção e a 
capacidade de atuar rapidamente em uma eventual entrada de carga.
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Ciclo combinado
Trata-se de um processo que recupera o calor dos gases expelidos da turbina a gás para acionar uma 
turbina a vapor, incorporando, deste modo, tanto o ciclo de Brayton quanto o ciclo de Rankine. Nesse 
processo a eficiência global é maior do que quando se consideram apenas os processos de maneira 
individual. Sendo assim, estima-se que o ciclo combinado tenha uma eficiência de 60%, enquanto que 
ciclo simples seria de 30%.
Como funciona uma Turbina à Gás Funcionamento de Turbina de Vapor
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https://www.youtube.com/watch?v=ZwSdgKV8SJE
https://www.youtube.com/watch?v=BwV1J4nI66U