10 Centrais Termelétricas (Cont )

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PPGEE - UFC / fevereiro de 2011 Renato Sampaio H. de Oliveira 1
FBUNI
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA DE PRODUÇÃO DE ENERGIA
Centrais Termelétricas (Cont.) 
Profa. Ma. Rebeca Catunda Pereira
Fortaleza, 25 de abril de 2023
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1. Introdução
Rebeca Catunda Pereira 2
 Centrais Termelétricas:
O processo fundamental de funcionamento das centrais termelétricas
baseia‐se na conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em
energia elétrica. Produz-se energia elétrica a partir da queima de combustível
em uma caldeira.
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1. Introdução
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 A conversão da energia térmica em mecânica se dá através do uso de um
fluido que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em turbinas
térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico acoplado ao
eixo da turbina permite a conversão de energia mecânica em elétrica.
 A produção da energia térmica pode se dar pela transformação da energia
química dos combustíveis através do processo da combustão (queima dos
combustíveis), ou da energia nuclear dos combustíveis radioativos, com a
fissão nuclear.
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Centrais Termelétricas e Centrais Nucleares:
As centrais térmicas cuja geração é baseada na combustão são conhecidas
como centrais termelétricas;
As centrais térmicas baseadas na fissão nuclear são chamadas de centrais
nucleares.
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Os combustíveis mais usuais das centrais termelétricas são:
• Derivados do petróleo (Óleo).
• Carvão mineral. 
• Gás natural. 
• Nucleares.
• Biomassa.
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 As centrais termelétricas são classificadas de acordo com o método de
combustão utilizado:
 Combustão Externa
 Combustão Interna
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Combustão Externa
O combustível não entra em contato com o fluido de trabalho. Processo usado
principalmente nas centrais termelétricas a vapor, onde o combustível aquece
o fluido de trabalho (em geral água) em uma caldeira até gerar o vapor que, ao
se expandir em uma turbina, produzirá trabalho mecânico.
As centrais nucleares, embora não utilizem combustão, e sim fissão nuclear, de
certo modo se adequam a essa classificação, uma vez que o processo de fissão
não entra em contato direto com o fluido de trabalho.
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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Termelétrica com Combustão Externa a Turbina Vapor
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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1. A queima de combustível gera calor que transforma o líquido (água) em
vapor na caldeira.
2. O vapor se expande (a pressão passa de alta a baixa) na turbina a vapor,
que movimenta um gerador elétrico.
3. O vapor que sai da turbina vai ao condensador, onde o calor é retirado e
se obtém líquido.
4. O líquido é bombeado de volta à caldeira, fechando o ciclo.
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
10Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Os principais combustíveis usualmente aplicados nas centrais a vapor são:
• Óleo;
• Carvão;
• Biomassa (madeira, bagaço de cana, lixo etc.);
• Derivados de petróleo. 
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Combustão Interna:
A combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa
maneira, o fluido de trabalho será o conjunto de produtos da combustão.
A combustão interna é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e
nas máquinas térmicas a pistão (motores a diesel, por exemplo).
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Os principais combustíveis usados nas máquinas térmicas com
combustão interna são:
• Gás natural
• Óleo diesel
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Central Nuclear:
O calor para o aquecimento da água não é produzido por processo de
combustão, mas sim pela energia gerada pelo processo de fissão nuclear
(reação nuclear controlada em cadeia).
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1. Introdução
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 Usina Nuclear:
A construção de uma usina nuclear envolve vários aspectos de segurança, 
desde a fase de projeto até a construção civil, montagem dos equipamentos e 
operação. 
Um reator nuclear do tipo Angra 1 e 2 é conhecido como PWR (Reator à agua 
Pressurizada), porque opera com água sob alta pressão. 
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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 Uma usina nuclear é formada basicamente por três fases:
 Primária
 Secundária
 Refrigeração
Inicialmente, o urânio é colocado no vaso de pressão. Com a fissão, há a
produção de energia térmica. No sistema primário, a água é utilizada para
resfriar o núcleo do reator nuclear.
Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
17Rebeca Catunda Pereira
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1. Introdução
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No sistema secundário, a água aquecida pelo sistema primário transforma-se
em vapor de água em um sistema chamado gerador de vapor. O vapor
produzido é aproveitado para movimentar a turbina de um gerador elétrico.
Esse mesmo vapor é transformado em água através de um sistema de
condensação, ou seja, através de um condensador que, por sua vez, é
resfriado por um sistema de refrigeração de água.
Por fim, a energia que é gerada através de todo o processo de fissão nuclear
chega às residências por redes de distribuição de energia elétrica.
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2. Máquinas Térmicas
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Representação de uma Usina Termelétrica a Carvão
Rebeca Catunda Pereira
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 20
 Máquinas Térmicas:
 São máquinas capazes de converter calor em trabalho. Elas funcionam em
ciclos e utilizam duas fontes de temperaturas diferentes, uma fonte quente
que é de onde recebem calor e uma fonte fria que é para onde o calor que
foi rejeitado é direcionado.
 A respeito das máquinas térmicas é importante saber que elas não
transformam todo o calor em trabalho, ou seja, o rendimento de uma
máquina térmica é sempre inferior a 100%.
 Sendo assim, as máquinas térmicas operam em ciclos, retirando uma
quantidade calor (Q1) de uma fonte quente, convertendo parte desse calor
em trabalho mecânico (τ) e rejeitando outra quantidade de calor para uma
fonte fria (Q2).
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 21
Onde:
τ = Trabalho Realizado (J)
Q1 = Calor recebido ou fonte 
quente (J)
Q2 = Calor cedido ou fonte 
fria (J)
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 22
 Rendimento de uma Máquina Térmica:
O rendimento de uma máquina térmica é a razão entre a potência útil,
trabalho produzido pela máquina térmica, e a potência total que é o calor
fornecido a máquina térmica pela fonte quente:
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 23
 Ciclode Carnot:
É um ciclo termodinâmico que idealiza o máximo que uma máquina térmica
consegue converter de calor em trabalho (situação ideal).
É composto por 4 fases:
• 2-3: Fornecimento de calor isotérmico e
reversível (caldeira)
• 3-4: Expansão reversível e adiabática
(turbina)
• 4-1: Rejeição de calor isotérmica e
reversível (condensador)
• 1-2: Compressão reversível e adiabática
(bomba)
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 24
 Ciclo de Carnot:
Numa máquina de Carnot, a quantidade de calor que é fornecida pela fonte de
aquecimento e a quantidade de calor cedida à fonte de resfriamento, são
proporcionais às suas temperaturas absolutas:
Onde:
T1 = Temperatura absoluta da fonte de aquecimento
T2 = Temperatura absoluta da fonte de resfriamento
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 25
 Rendimento de uma Máquina de Carnot:
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2. Máquinas Térmicas
Rebeca Catunda P. M. 26
 Potência Disponível:
Para um sistema térmico ideal, sem perdas, essa potência, pode ser calculada, 
por:
Onde:
PD = Potência Disponível (kW).
m = Massa do fluído passando pela transformação térmica por unidade de 
tempo, ou seja, vazão mássica (kg/s).
h = entalpia específica do fluido (kJ/kg).
h1 a entalpia na entrada da máquina térmica
h2 a entalpia na saída da máquina térmica. 
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Aplicação
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 Exercício 1: Qual a potência disponível , em KW, de uma turbina
alimentada com 3600 kg/h de vapor superaquecido a 200 KPa e 400oC, o
qual sai da turbina a 50 KPa e 150oC ?
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Aplicação
Rebeca Catunda P. M. 28
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Aplicação
Rebeca Catunda P. M. 29
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Aplicação
Rebeca Catunda P. M. 30
 Exercício 2: Qual o rendimento máximo teórico de uma máquina a
vapor, cujo o fluido entra a 560o C e abandona o ciclo a 200o C?
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Aplicação
Rebeca Catunda P. M. 31
 Exercício 3: Uma máquina térmica opera segundo o ciclo de Carnot
entre as temperaturas de 500K e 300K, recebendo 2 000J de calor da
fonte quente. O calor rejeitado para a fonte fria e o trabalho realizado
pela máquina, em joules, são, respectivamente:
a) 500 e 1 500
b) 700 e 1 300
c) 1 000 e 1 000
d) 1 200 e 800
e) 1 400 e 600
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Aplicação
Rebeca Catunda P. M. 32
 Exercício 4: Uma máquina térmica cíclica recebe 5000 J de calor de uma
fonte quente e realiza trabalho de 3500 J. Calcule o rendimento dessa
máquina térmica.
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Aplicação
Rebeca Catunda P. M. 33
 Exercício 5: Uma máquina térmica recebe 800 J de calor de uma fonte
quente, em uma temperatura de 400 K, e rejeita 300 J para uma fonte
fria. Calcule a temperatura da fonte fria e o trabalho realizado pela
máquina.
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Obrigada!