IIGeração II - Geração Termoelétrica_2013.1

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Capítulo 2 Tecnologias de Geração de Energia Elétrica: 
Geração Termoelétrica 
 
 
2.6.2 Conversão Termoelétrica 
 2.6.2.1 Eficiência das Máquinas Térmicas 
 2.6.2.2 Ciclos Termodinâmicos 
 A.1 Ciclo Rankine 
 A.2 Ciclo Brayton 
 A.3 Ciclo Otto 
 A.4 Ciclo Diesel 
 2.6.2.3 Configuração de Plantas Térmicas 
 B.1 Geração Termelétrica a Gás 
 B.2 Geração Termelétrica a Vapor 
 B.3 Geração Termelétrica a Ciclo 
Combinado 
 
 B.4 Geração com Motores Alternativos 
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2.6.2 Processo de Transformação Termoelétrico 
Utiliza a energia térmica obtida pela combustão de combustível fóssil e 
resíduos agroindustriais, ou a energia térmica liberada em reações 
nucleares. 
Conversão Termoelétrica 
/
Energia Química Energia Térmica Energia Mecânica Energia Elétrica
Combustão
Fissão Turbina Gerador
   
 
 
A grande maioria da energia elétrica produzida no mundo provém de 
usinas termelétricas, totalizando 80% sendo 40% de usinas a carvão, 
10% a óleo, 15% a gás natural, e 15% nuclear, enquanto apenas 18,7% 
da eletricidade produzida no mundo provêm de usinas hidrelétricas. 
 
 
Figura 2.39 Participação global da eletricidade. 
 
O carvão é o recurso energético mais usado no mundo para geração de 
energia elétrica, por sua abundância, pela distribuição de jazidas no 
mundo e suas vantagens econômicas, sendo também a fonte que mais 
contribui com emissões atmosféricas. A maioria das usinas térmicas tem 
potência nominal entre 200 e 2000 MW. 
 
Figura 2.38 Esquema de geração de energia elétrica numa usina térmica a combustão. 
termelétrica 
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Figura 2.40 Participação do consumo mundial de carvão por setor, 2008, 2020 e 2035 (percentual). 
Fonte: EIA – International Energy Outlook 2011 
 
A projeção de geração de eletricidade por combustível no mundo é 
mostrada na Figura 2.41. Em 2008 a geração de eletricidade por carvão 
foi de 40% da eletricidade gerada no mundo; em 2035 o percentual cai 
para 37% uma vez que é esperado que renováveis, gás natural e nuclear 
cresçam durante a projeção e desbanque a energia a carvão em muitas 
partes do mundo. A permanência de preço elevado para o óleo e o gás 
natural torna a geração a carvão mais atrativa economicamente, em 
especial em nações que são ricas em reservas de carvão, como China, 
Índia, e EUA. 
 
Figura 2.41 Geração de eletricidade no mundo por combustível em trilhões de kWh, 2008-2035. 
Fonte: EIA – International Energy Outlook 2011. 
 
 
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A perspectiva para a geração a carvão pode ser alterada 
consideravelmente por acordos internacionais para reduzir as emissões 
de gás de efeito estufa. O setor elétrico oferece algumas das 
oportunidades de maior custo-benefício para reduzir as emissões de 
dióxido de carbono em muitos países. Se um custo, explícito ou 
implícito, fosse aplicado às emissões de dióxido de carbono, existem 
várias alternativas de baixa ou sem emissão que atualmente estão 
comercialmente testadas ou em desenvolvimento, as quais poderiam ser 
usadas para substituir algumas plantas a carvão. 
No Brasil ainda planeja em continuar expandindo a geração hidroelétrica 
no período projetado. 
 
Figura 2.42 Geração de eletricidade no Brasil por combustível em trilhões de kWh, 2008-2035. 
Fonte: EIA – International Energy Outlook 2011. 
 
No Brasil, 26,97% da oferta de eletricidade é térmica, sendo (Fonte: 
Aneel. 2012): 
 16,21% fóssil, 
o 5,74% petróleo (2,66% óleo diesel e 3,08% óleo residual), 
o 10,47% gás (9,03% natural e 1,43% de processo), 
o 1,52% carvão mineral, 
 7,67% biomassa (6,32% bagaço de cana, 0,97% licor negro, 
0,30% madeira, 0,06% biogás e 0,03% casca de arroz) 
 1,57% nuclear 
 
A matriz de energia elétrica brasileira é apresentada na Figura 2.43 para 
um total de capacidade instalada de 127.836.430 kW (em 01/11/2012) . 
A importação de eletricidade soma 6,39% da capacidade instalada, 
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proveniente de países como: Paraguai (5,46%), Argentina (2,17%), 
Venezuela (0,19%) e Uruguai (0,07%). 
 
 
Figura 2.43 Oferta de eletricidade no Brasil por classe de combustível. Fonte: Aneel 2012. 
 
As usinas termelétricas no sistema brasileiro operam em 
complementação às hidrelétricas. Não faz sentido verter água enquanto 
se queima gás, óleo combustível e diesel importado. Entretanto, quando 
abaixa muito o nível médio dos reservatórios, devem-se ligar as 
termelétricas, na falta de novas hidrelétricas. 
 
Nas usinas térmicas não nucleares a energia elétrica gerada a partir do 
calor da combustão é produzida pela queima de: 
 Carvão mineral 
 Óleo derivado de petróleo 
 Gás natural 
 Resíduos agroindustriais 
 Gás de refinaria 
O combustível líquido tem certas vantagens em comparação com os 
sólidos, tais com poder calorífico elevado, maior facilidade e economia 
de armazenagem e fácil controle de consumo. Os combustíveis gasosos 
apresentam certas vantagens em relação aos combustíveis sólidos, tais 
como: permitir a eliminação de fumaça e cinzas, melhor controle de 
temperatura e comprimento das chamas. 
A composição do combustível usado na combustão: 
– Carbono 
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– Hidrogênio 
– Oxigênio 
– Nitrogênio 
– Água 
– Enxofre 
– Ferro 
 
Enquanto no carvão há a presença de enxofre, o gás natural não contém 
enxofre. 
 
A combustão é o resultado da queima de combustível mais comburente1, 
geralmente o oxigênio, com liberação de calor. Na combustão estão 
presentes gases de combustão, gases de exaustão ou escape (rejeitos), 
gases de chaminé, e subprodutos (resíduos sólidos como fuligem). 
 
A combustão perfeita é obtida pela mistura e queima de partes 
exatamente proporcionais de combustível e oxigênio. Em uma reação 
completa de um hidrocarboneto (metano, propano, gasolina, etanol, 
diesel, etc.) em ar são formados apenas CO2 e H2O. Na combustão 
incompleta não há o suprimento de oxigênio adequado para que a 
queima do combustível seja completa. Porque a mistura com o ar é 
inadequada, algumas moléculas de hidrocarboneto não reagem com 
suficiente oxigênio e assim são expelidas intactas. A combustão 
completa ocorre somente em condições cuidadosamente controladas. 
 
A avaliação da combustão pode ser feita através da diferenciação da 
coloração da chama e da fumaça da chaminé. Apesar de não ser um 
controle muito preciso e que apresenta variações nas colorações 
dependendo do tipo de combustível queimado ele poderá fornecer 
indicações do tipo de queima apresentada. De um modo geral essas 
colorações são as mostradas na Tabela 2.6. 
 
 
 
 
 
 
 
1
 Comburente pode ser O2 ou ar cuja composição é de 21% O2 e 79% N2. O O2 é o elemento ativo do 
ar que misturado aos componentes combustíveis produz calor na combustão. 
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Tabela 2.6 Avaliação da combustão. 
 
 
Na combustão de hidrocarbonetos são formados centenas de 
compostos, segundo a composição do combustível como, por exemplo, 
CO2, CO, H2O, H2, CH4, NOx, SOx, hidrocarbonetos não queimados, 
fuligem, material particulado, etc., sendo que alguns desses compostos 
são os principais agentes causadores de poluição atmosférica, do efeito 
estufa, da chuva ácida e de danos aos ciclos biogeoquímicos do planeta. 
 
As principais reações nos combustíveis fósseis são mostradas na Tabela 
2.6: 
Tabela 2.6 Principais reações provenientes da combustão de fósseis. 
Componentes Produto Denominação 
C + O2  CO2Dióxido de Carbono 
(combustão perfeita resulta 
apenas CO2 e água) 
2H2 + O2  2H2O Água 
S + O2  SO2+ calor Dióxido de Enxofre 
SO2+ H2O  H2SO4 Ácido Sulfúrico 
Corrosão de metais e chuvas 
ácidas 
N2 + O2  2NO Monóxido de Nitrogênio 
(excesso de O2 na combustão) 
N2 + 2O2  2NO2 Dióxido de Nitrogênio 
(excesso de O2 na combustão) 
NOx + atmosfera  HNO3 Ácido Nítrico 
 
As emissões no ar que agridem o meio ambiente decorrentes da 
combustão incluem: 
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– Metano (CH4) – gás incolor é o mais simples dos hidrocarbonetos. O 
metano é um gás de efeito estufa 21 vezes mais potente que o 
dióxido de carbono, no entanto sua presença na atmosfera é muito 
menor e seu impacto sobre o clima representa a metade do impacto 
causado pelo CO2. A combustão do metano tem como subproduto o 
gás carbônico que é 21 vezes menos nocivo ao meio ambiente do 
que o metano. 
As fontes de metano são: depósitos geológicos (gás natural), 
decomposição de resíduos orgânicos; processo de gaseificação da 
biomassa obtendo gás para produção de eletricidade, composto 
basicamente por CO, H2, CH4, CO2 e N2; e do processo de digestão 
anaeróbica (na ausência de ar) em que a decomposição da biomassa 
é feita por bactérias em um biodigestor e produz biogás composto por 
metano e dióxido de carbono. 
 Dióxido de carbono (CO2) – é o maior contribuinte para o efeito estufa; 
emitido naturalmente pelos seres vivos, é absorvido pelas plantas 
mantendo o equilíbrio ecológico. Além da geração de energia por 
termelétricas, as indústrias e o transporte são agentes contribuintes 
para a produção de CO2. 
 Monóxido de carbono (CO) – também causador do efeito estufa, é 
produzido durante a combustão; por ser um gás instável é convertido 
em CO2 ao ser emitido na atmosfera. 
 Dióxido de enxofre (SO2) – emitido na combustão de combustíveis 
que contêm enxofre como carvão, óleo, álcool; causa chuva ácida e 
redução da biodiversidade. 
 Óxido de nitrogênio (NOx) – causa chuva ácida e afeta as vias 
respiratórias, caracterizando-se por uma fumaça escura. 
 Outros como hidrofluocarbono (HFC); perfluorcarbono (PFC) e 
hexafluoreto de enxofre (SF6). 
Dentre outros poluentes atmosféricos têm-se os compostos orgânicos 
voláteis, material particulado e gases queimados em tochas. 
Uma completa análise do tipo de combustível deve preceder qualquer 
decisão quanto à construção ou modificação de uma usina térmica, pois 
dele depende o custo de operação e a especificação dos componentes 
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da usina. O tipo de combustível afeta praticamente tudo na casa da 
caldeira. 
Dentre as possibilidades tecnológicas de acionadores primários para 
geração termelétrica considera-se: 
 Turbinas a vapor 
 Turbinas a gás 
 Motores alternativos 
As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa, enquanto as 
turbinas a gás e máquinas alternativas são de combustão interna. Nas 
máquinas de combustão interna o fluido de trabalho são os gases 
quentes da combustão. Nas máquinas de combustão externa o calor 
proveniente da combustão deve ser transferido dos produtos de 
combustão ao fluido de trabalho através das serpentinas no interior de 
uma caldeira. 
2.6.2.1 Eficiência das Máquinas Térmicas 
A eficiência de uma usina térmica é baixa devido à baixa eficiência das 
turbinas. Uma eficiência inferior a 100% é evidenciada na 2ª Lei da 
Termodinâmica enunciada como: 
 ‘Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema 
deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. Em 
cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente 
(energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o 
restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada)’ 
 ‘Nenhum dispositivo pode operar de modo que seu único efeito seja 
converter completamente calor absorvido em trabalho’ 
 ‘Todo sistema que sofre algum processo espontâneo, muda para uma 
condição na qual sua habilidade de realizar trabalho diminui’. 
 
De acordo com a 2ª lei da termodinâmica, trabalho pode ser 
completamente convertido em calor, e por tal em energia térmica, mas 
energia térmica não pode ser completamente convertida em trabalho. 
Assim, a 2ª Lei da Termodinâmica declara a impossibilidade de uma 
máquina térmica operando em ciclos, transformar toda a energia 
recebida da fonte quente em trabalho mecânico. Com a entropia procura-
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se mensurar a parcela de energia que não pode mais ser transformada 
em trabalho em transformações termodinâmicas à dada temperatura. 
A máquina térmica ideal de Carnot opera entre duas transformações 
isotérmicas (A-B e C-D) e duas adiabáticas (B-C e D-A) alternadas entre 
si, o que permite menor perda de energia (calor) para o meio externo 
(fonte fria). 
 
Fig.2.44 Diagrama Pressão x volume para o ciclo de Carnot. 
 
A eficiência máxima de máquinas térmicas é definida para a máquina de 
Carnot (sistema fechado) como: 
 
(%) = (1 – ).100 (2.4) 
em que 
 Eficiência da máquina térmica em % 
T1 Temperatura (
oK) do fluido na entrada da máquina, na qual a 
máquina começa a conversão da energia térmica contida 
nos produtos da combustão em trabalho. 
T2 Temperatura (
oK) do fluido na saída da máquina, na qual os 
produtos de combustão são rejeitados na atmosfera ou 
temperatura na qual termina o processo de conversão. 
Em uma termelétrica, quanto maior a temperatura T1 e quanto menor a 
temperatura T2 (mais próxima à temperatura ambiente) maior é a 
eficiência de conversão. 
Para obter uma alta eficiência a relação T2/T1 deve ser a menor possível. 
Entretanto, a temperatura T2 não poderá ser inferior à temperatura do 
ambiente. 
1
2
T
T
Isotérmica – transformação 
termodinâmica na qual a 
temperatura é mantida 
constante. 
Adiabática – transformação 
termodinâmica na qual não 
há troca de calor com o 
ambiente. 
A-B expansão isotérmica 
B-C expansão adiabática 
C-D compressão isotérmica 
D-A compressão adiabática 
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Para uma temperatura ambiente de 30oC, T2 não poderá ser menor que: 
T2 = 30 + 273 = 303
o K (2.5) 
 
Isto significa que T1 deve ser a mais alta possível. O problema está em 
que o aço e outros metais não suportam temperaturas tão elevadas, 
considerando ainda a pressão do vapor correspondente. 
A maior temperatura T1 possível é de cerca de 550
o C. Isto significa que 
a eficiência máxima de uma turbina a vapor com: 
 
T2 = 303
o K 
T1 = 550 + 273 = 823
o K 
 = (1 – 303/823).100 = 63,18% (2.6) 
 
O resultado obtido significa que nenhuma máquina térmica real 
conseguirá transferir calor de 823oK para 303oK com eficiência igual ou 
maior que 63,18%. 
Devido às perdas, algumas das mais eficientes turbinas a vapor 
apresentam eficiência de 45%. Isto significa que 55% da energia térmica 
são perdidos durante o processo de conversão térmico-mecânico. 
A enorme perda de calor e como dispô-lo, rejeitando ou reaproveitando, 
representa um dos maiores aspectos de uma usina térmica. 
2.6.2.2 Ciclos Termodinâmicos 
Os principais ciclos termodinâmicos que uma central termelétrica 
pode operar são: 
 Ciclo Rankine 
 Ciclo Brayton 
 Ciclo Combinado 
 Ciclo de Motores 
Um ciclo termodinâmico se constitui de uma sequência de processos 
termodinâmicos após os quais a matéria que o experimentou retorna ao 
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estado inicial. Esses ciclos têm por objetivo representar as 
transformações dos fluidos, que são determinadas pela temperatura,pressão e volume, sendo que dois destes são escolhidos para serem 
controlados, dependendo do processo. 
As plantas em ciclo combinado representam a integração dos dois ciclos: 
Rankine da turbina a vapor e Brayton da turbina a gás. 
Os ciclos de operação mais comumente utilizados em máquinas de 
combustão interna são: 
 Ciclo Diesel e 
 Ciclo Otto. 
A.1 Ciclo Rankine 
O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente 
encontradas em estações de produção de energia. Neste ciclo 
termodinâmico a água é transformada em vapor, e o vapor é usado para 
acionar uma turbina para produzir energia elétrica. O ciclo é completado 
em um condensador onde o vapor de exaustão é resfriado e a água 
resultante é devolvida a um trocador de calor para iniciar o processo. 
 
 
Figura 2.45 Esquemático do ciclo Rankine. 
Existem quatro processos num ciclo Rankine: 
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 Fase 1-2 Compressão: o fluido é bombeado de uma pressão baixa 
para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento 
requer algum tipo de energia para se realizar. 
 Fase 2-3 Transferência de calor isobárica: o fluido pressurizado entra 
numa caldeira, onde é aquecido à pressão constante até se tornar 
vapor superaquecido. 
 Fase 3-4 Expansão: o vapor superaquecido expande através de uma 
turbina para gerar trabalho. Idealmente, esta expansão é isoentrópica. 
Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se 
reduzem. 
 Fase 4-1 Transferência de calor: 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. 
O vapor que se observa saindo de centrais de produção de energia vem 
do sistema de resfriamento do condensador, e não do fluido de trabalho. 
Uma característica importante desse sistema é a diversidade dos 
combustíveis utilizados (carvão, óleo combustível, biomassa), pois a 
queima dos combustíveis será utilizada apenas para geração de vapor, 
sendo que o fluido de trabalho utilizado é a água. 
Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento 
depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da 
temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que 
aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que 
diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o 
rendimento do ciclo de Rankine. 
Existem duas variações básicas do ciclo Rankine utilizados atualmente: 
 Ciclo Rankine com reaquecimento 
 Ciclo Rankine regenerativo 
O ciclo Rankine com reaquecimento opera utilizando duas turbinas em 
série. A primeira turbina recebe o vapor da caldeira à alta pressão, 
liberando-o de tal maneira a evitar sua condensação. Este vapor é então 
reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira, e é utilizado para 
acionar uma segunda turbina de baixa pressão. Entre outras vantagens, 
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isto impede a condensação do vapor no interior das turbinas durante sua 
expansão, o que poderia danificar seriamente as pás da turbina. 
 
Figura 2.46 Ciclo Rankine com reaquecimento. 
O ciclo Rankine regenarativo é nomeado desta forma devido ao fato do 
fluido ser reaquecido após sair do condensador, aproveitando parte do 
calor contido no fluido liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta 
a temperatura média do fluido em circulação, o que aumenta a eficiência 
termodinâmica do ciclo. 
 
Figura 2.47 Ciclo Rankine regenerativo. 
 
 
 
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A.2 Ciclo Brayton 
O ciclo Brayton se constitui de quatro etapas: compressão, adição de 
calor, expansão e rejeição de calor. 
 
Entropia (s): energia que não pode ser 
transformada em trabalho. 
Figura 2.48 Diagrama do Ciclo Ideal de Brayton. 
 Fase 1-2 Compressão adiabática e isentrópica: o ar em condição 
ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática 
(não há trocas de calor com o ambiente) e isentrópica (entropia 
constante), com aumento de temperatura do ar e consequente 
aumento de entalpia (medida da energia interna do sistema que está 
disponível na forma de calor). 
 Fase 2-3 Transferência de calor isobárica da fonte quente (câmara de 
combustão): comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde 
mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à 
pressão constante. A entropia é maior quando há aumento de 
temperatura. 
 Fase 3-4 Expansão adiabática e isentrópica: Ao sair da câmara de 
combustão, os gases de combustão, à alta pressão e temperatura, se 
expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação 
de entropia. Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as 
palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se 
potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é 
usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra 
máquina. 
 Fase 4-1 Transferência de calor isobárica para a fonte fria (ambiente): 
a quarta etapa não ocorre fisicamente, se se tratando de um ciclo 
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termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a 
transferência de calor do fluido para o ambiente. 
No ciclo de Brayton os processos de compressão, transferência de calor, 
expansão e exaustão ocorrem ao mesmo tempo, mas, em locais 
diferentes, diferentemente do que ocorre nos ciclos dos motores 
alternativos em que os processos ocorrem em um mesmo lugar de forma 
sequenciada, i.e., em tempos diferentes. 
A.3 Ciclos Otto e Diesel 
Os motores de combustão interna utilizam os próprios gases de 
combustão como fluido de trabalho. São estes gases que realizam os 
processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão 
e finalmente exaustão. 
Os ciclos de operação mais comumente utilizados em máquinas de 
combustão interna são: ciclo Otto e ciclo Diesel. 
O Ciclo Otto é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de 
motores de combustão interna de ignição por centelha. Nos motores 
Otto, a mistura combustível e comburente é preparada pelo 
sistema de admissão. Com o êmbolo ou pistão no ponto morto superior - 
PMS é aberta a válvula de admissão, e injetada a mistura no cilindro 
enquanto se mantém fechada a válvula de escape. O êmbolo é 
impulsionado para baixo pelo veio de manivelas (virabrequim), move-se 
então até ao ponto morto inferior - PMI. A este percurso do êmbolo é 
chamado o primeiro tempo do ciclo, ou tempo de admissão. 
A válvula de admissão é então fechada, ficando o cilindro cheio com a 
mistura, que é agora comprimida pelo pistão na câmara de combustão, 
impulsionado no seu sentido ascendente em direção à cabeça do motor 
pelo veio de manivelas até atingir de novo o PMS. Neste estágio as duas 
válvulas se encontram fechadas. A este segundo passeio do êmbolo é 
chamado o segundo tempo do ciclo, ou tempo de compressão. 
Quando o êmbolo atinge o PMS, a mistura que se encontra comprimida 
é inflamada devido a uma faísca produzida pela vela e explode. O 
resultado desta reação termoquímica é a geração de uma ação 
exotérmica, quando então a mistura libera calor, forçando o pistão para 
baixo ponto morto inferior (PMI), com extrema força, movimentando o 
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conjunto pistão/biela, que transmitem este movimento ao virabrequim, 
produzindo assim, a energia mecânica ou força rotativa necessária ao 
movimento do eixo do motor. No movimento de expansão os gases de 
combustão empurra o êmbolo até ao PMI. A este terceiro passeio do 
êmbolo é chamado o terceiro tempo do ciclo, tempo de explosão, tempo 
motor ou tempo útil, umavez que é o único que efetivamente produz 
trabalho, pois durante os outros tempos, apenas se usa a energia de 
rotação acumulada no volante, o que faz com que ele ao rodar permita a 
continuidade do movimento do veio de manivelas durante os outros três 
tempos. 
O êmbolo retoma o seu movimento ascendente. O cilindro está cheio de 
gases queimados. A válvula de escape se abre, permitindo a expulsão 
para a atmosfera dos gases impelidos pelo êmbolo no seu movimento 
até ao PMS, altura em que se fecha a válvula de escape. A este quarto 
passeio do êmbolo é chamado o quarto tempo do ciclo, ou tempo de 
exaustão (escape). 
 
 
Figura 2.49 Ciclos de Combustão Otto (a) e Diesel (b). 
No ciclo Diesel os tempos funcionam de maneira semelhante ao ciclo 
Otto, a diferença entre eles, se dá apenas na Admissão (1º tempo), onde 
este aspira somente ar, com ausência de combustível. O ar é 
Ad
mi
ss
ão 
Co
m
pr
es
sã
o 
Ex
plo
sã
o 
Ex
au
stã
o 
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comprimido sem ser misturado ao combustível. Durante a compressão 
do ar (2o tempo), o combustível é pulverizado. No momento de máxima 
compressão do ar que experimenta aumento de temperatura, a alta taxa 
de oxigênio faz com que o óleo entre em combustão, produzindo a 
explosão sem a necessidade da ignição elétrica. A máquina de 
combustão interna de ciclo Diesel tem a propriedade de ser a máquina 
térmica que mais se aproxima do rendimento idealizado por Carnot. 
Tabela 2.7 Características dos Ciclos de Combustão Otto e Diesel. 
Variável Otto Diesel 
Tempo de formação da 
mistura 
Antes da combustão Simultânea à combustão 
Volatilidade do combustível Alta Baixa 
Temperatura dos gases de 
descarga 
800º C 600º C 
Custo de fabricação Baixo Alto 
Rendimento térmico Menor Maior 
Ignição Centelha elétrica Compressão 
 
Os motores de combustão interna a pistão acionam diretamente os 
geradores de eletricidade. Essa forma de geração é comumente usada 
para fornecer energia elétrica às localidades isoladas ou como fonte 
alternativa de emergência se ocorrer uma interrupção no fornecimento 
normal. 
2.6.2.3 Configurações de Plantas Térmicas 
As usinas termelétricas podem ser de ciclo simples e ciclo combinado. 
As termelétricas de ciclo simples utilizam a energia térmica proveniente 
de gases quentes ou a energia térmica do vapor d’água para a produção 
de energia elétrica. Quando a energia térmica dos gases de escape não 
é recuperada a planta é dita operar em ciclo aberto, quando ocorre o 
contrário é dito ciclo fechado. 
B.1 Geração Termelétrica a Gás 
Os combustíveis das turbinas a gás podem ser basicamente de dois 
tipos: 
 Gasosos: gás natural, gases de exaustão de processos e 
combustíveis sólidos gaseificados (carvão, biomassa, etc.) 
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 Líquidos: gás liquefeito de petróleo (GLP), diesel e querosene em 
alguns casos, óleos combustíveis de baixo teor de enxofre. 
Os combustíveis empregados devem estar livres de partículas e 
impurezas sólidas para evitar qualquer tipo de erosão nas palhetas da 
turbina. A ausência de enxofre na composição do combustível permitirá 
um nível de recuperação da energia térmica dos gases de escape 
superior ao que se pode conseguir com outros combustíveis cujo ponto 
de orvalho (temperatura em que ocorre a condensação) eventualmente é 
elevado. Por este motivo e por razões econômicas, um combustível 
muito adequado para as turbinas a gás é o gás natural, sempre que 
esteja disponível. 
Os combustíveis líquidos apresentam face aos gasosos algumas 
desvantagens, entre as quais se podem destacar a maior complexidade 
do sistema de filtragem e pré-tratamento do combustível. 
Grande uso tem sido feito do gás natural derivado de formações 
geológicas petrolíferas como energia primária de usinas térmicas. 
O gás natural é uma mistura de: 
 
 Hidrocarbonetos: 
 Metano – CH4; 
 Etano – C2H6; 
 Propano – C3H8; 
 n-Butano – n-C4H10 
 Não-Hidrocarbonetos: N2 e CO2 
B.1.1 Turbinas a Gás 
As turbinas a gás são máquinas de combustão interna e de fluxo 
contínuo. Os elementos fundamentais que constituem uma turbina a gás 
são: 
 Compressor 
 Câmara de combustão 
 Turbina 
 
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As turbinas a gás necessitam da injeção de ar comprimido a alta pressão 
na câmara de combustão ou combustor, obtido através de um turbo-
compressor acionado pelo próprio eixo da turbina. 
Em seu funcionamento, o ar é aspirado da atmosfera, filtrado e 
comprimido, passando para a câmara de combustão, onde se mistura 
com o combustível. Nesta câmara ocorre a reação de combustão, 
produzindo gases quentes (fluido de trabalho) a alta temperatura e alta 
pressão. As turbinas a gás fazem uso direto dos produtos da combustão. 
Os gases gerados pela combustão passam diretamente pela turbina, 
onde se expandem e a energia térmica é convertida em energia 
mecânica rotativa para acionar o eixo do compressor e do gerador 
elétrico acoplado à turbina. Finalmente o gás é liberado na atmosfera 
(ciclo aberto) ou reaproveitado (ciclo fechado) para produção de calor ou 
frio e/ou energia elétrica. 
 
Figura 2.50 Geração termelétrica a gás em ciclo simples circuito aberto. 
Por serem máquinas de combustão interna, as turbinas a gás realizam o 
processo de conversão da energia do combustível a altas temperaturas, 
começando com temperaturas da ordem de 1000°C e terminando em 
temperaturas próximas de 500°C. A maior parcela da energia do 
combustível que não é aproveitada está nos gases de exaustão ainda a 
altas temperaturas que podem ser liberados na atmosfera ou 
reaproveitado. 
 Perdas 
elétricas 
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As turbinas a gás funcionam com um elevado excesso de ar, para que a 
temperatura dos produtos de combustão ao incidir nas palhetas da 
turbina não seja excessiva e não provoquem excessivos problemas de 
corrosão ou fadiga na parte quente da turbina e mantenha os efeitos 
derivados da deformação plástica dentro de limites aceitáveis. Os níveis 
de excesso de ar com que trabalham as turbinas costumam estar 
compreendidos entre 250 e 500% em relação ao ar teórico para 
combustão completa. 
Uma concepção construtiva frequente nestes equipamentos divide a 
expansão dos gases entre uma turbina de alta pressão (AP), empregada 
para acionar o compressor e uma turbina de baixa pressão (BP), que 
aciona a carga. Para este tipo de montagem denominam-se usualmente 
gerador de gás ao conjunto formado pelo compressor, queimador ou 
câmara de combustão ou combustor e a turbina AP, enquanto a parte 
restante se conhece como turbina de potência (turbina BP + gerador 
elétrico). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.51 Geração termelétrica a gás com múltiplos estágios. 
 
B.1.2 Configuração das Usinas a Gás 
Segundo a forma de montagem do gerador de gás e da turbina de 
potência, a configuração da geração termelétrica pode ser mono-eixo e 
de dois eixos. 
Turbina 
a Gás 
Gerador 
de gás 
Combustível 
Gases de escape 
ou exaustão 
Energia térmica 
recuperável 
Gerador 
~ 
Energia mecânica 
ou elétrica 
 
AP 
 
BP 
Perdas térmicas 
Compressor 
Axial 
Câmara de 
combustão 
Ar 
Turbina de 
potência 
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A Figura 2.52 mostra uma configuração mono-eixo de múltiplos estágios 
de pressão. A expansão dos gases divide-se entre uma turbina de alta 
pressão (AP), empregada para acionar o compressor, e uma turbina de 
média (MP) e de baixa pressão (BP) que aciona uma carga ou gerador 
elétrico. As palhetas das turbinas AP, MP eBP são construídas de aço 
especial para suportarem a alta temperatura e intensas forças 
centrífugas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.52 Geração termelétrica a gás de ciclo mono-eixo com múltiplos estágios. 
 
Na configuração mono-eixo as turbinas AP, MP e BP são acopladas em 
conjunto para acionar compressor e um único gerador. Por imposição de 
sua configuração, nas turbinas mono-eixo, compressor e turbina têm a 
mesma rotação. No caso do acionamento de um alternador, para o qual 
se requer uma rotação constante, impõe-se manter o fluxo de ar 
constante, e a regulação da potência desenvolvida é efetuada 
modificando-se unicamente a injeção de combustível na câmara de 
combustão sem que se varie a velocidade do rotor. A variação da 
quantidade de combustível injetado para uma descarga de ar constante 
modifica a temperatura dos gases de combustão e afeta 
significativamente o rendimento da máquina. Em se tratando de uma 
carga mecânica ao invés do gerador, quando se requer uma redução de 
rotação na carga, ocorre uma diminuição na rotação do compressor, 
afetando naturalmente a vazão de ar, a pressão de saída, e em 
consequência, a potência e o torque disponível (T=P). 
Os geradores de gás, por sua vez, ainda podem ter mais de um eixo. 
Num primeiro eixo é montado um gerador de gás, no qual uma turbina de 
~ 
Gerador 
Turbina 
Baixa 
Pressão 
Turbina 
Média 
Pressão 
Gerador 
de gás 
Turbina de 
Alta Pressão 
TG Compressor 
Câmara de 
combustão 
Ar 
Combustível Perdas térmicas 
Turbina de 
Potência 
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alta pressão fornece energia mecânica exclusivamente para movimentar 
o compressor. O gás quente de alta pressão proveniente do gerador de 
gás é direcionado para uma turbina de potência, normalmente de menor 
rotação, que a movimenta, com ou sem auxílio de uma caixa redutora de 
velocidade, o gerador elétrico. 
 
 
Figura 2.53 Turbina a gás com dois eixos com circuito fechado. 
 
Nas turbinas de dois eixos, a rotação do gerador de gás é independente 
da turbina de potência, assim quando se necessita uma menor rotação 
no eixo de saída, o gerador de gás poderá seguir girando a alta 
velocidade e colocando à disposição da turbina de potência um fluxo de 
gases sob pressão elevada. Este tipo de máquina é especialmente apto 
para aqueles casos em que se requer um aumento do torque a baixas 
velocidades. 
Em algumas usinas de grande porte uma turbina AP aciona um gerador 
enquanto turbinas as MP e BP acionam um outro gerador de mesma 
potência. Assim quando se necessita uma rotação constante no eixo de 
saída, o gerador de gás poderá seguir girando a alta velocidade e 
colocando à disposição da turbina de potência um fluxo de gases sob 
pressão elevada. 
O conceito de dois eixos é a solução ideal para aplicações como 
acionador mecânico e permite reações rápidas para mudança de carga e 
bom desempenho para carga parcial quando usado para acionar um 
gerador. 
O recuperador de calor é um dispositivo que aproveita o gás de escape 
em alta temperatura para pré-aquecer o ar comprimido que chega ao 
combustor. 
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Fatores que influenciam no rendimento de uma turbina a gás: 
 Temperatura do ar de aspiração da turbina: quanto maior a 
temperatura de aspiração maior será a energia para acionar o 
compressor de ar, diminuindo o rendimento e a potência; 
 Perdas de carga na admissão do ar e na saída dos gases de escape: 
estas perdas são geradas pelos sistemas de atenuação de ruído e 
filtragem de ar, no lado da admissão e da aplicação que deverá ser 
dada aos gases de escape. Cada 100 mmca de incremento de perdas 
de carga supõem-se aproximadamente 1% de perda de potência da 
turbina; 
 Regime de funcionamento da turbina: uma turbina mono-eixo terá 
uma diminuição no rendimento caso haja uma diminuição na carga; 
 Altitude de instalação: um aumento da altitude diminui a potência, 
devido à diminuição da pressão atmosférica. 
Um método utilizado em alguns casos para melhorar o rendimento de 
uma turbina a gás é pré-aquecer o ar de combustão na saída do 
compressor (Fig.2.53), utilizando os gases de escape em um 
regenerador situado antes da entrada na câmara de combustão. 
A admissão de ar no compressor no ponto mais frio possível também 
contribui para o aumento do rendimento da turbina. 
As turbinas a gás devem ser geralmente montadas no interior de uma 
carcaça acústica isolada, para manter o nível de ruído abaixo de 65 
decibéis. 
Os turbo-geradores a gás são normalmente utilizados apenas como 
unidades de ponta ou de emergência, dada a sua eficiência 
relativamente baixa quando comparada às plantas modernas a vapor. 
 
A característica de operação das turbinas a gás para frequências 
diferentes da nominal é obtida através de ensaios, e varia entre 
fabricantes. As turbinas a gás e hidráulicas toleram faixas de variação de 
frequência mais amplas em relação à nominal (5%). 
 
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É importante corrigir qualquer desvio amplo de frequência dentro do 
período especificado de tempo. Se o problema não puder ser corrigido, o 
operador deverá desligar a unidade do sistema. 
 
Em suma, a vantagens de uma usina a gás são: 
 
a) É capaz de iniciar e assumir carga rapidamente, dentro de 2 minutos; 
é, portanto, de grande valor para lidar com cargas de pico e de 
emergência do sistema. É menos econômica, entretanto, para operar 
sob condições normais de operação em comparação com as 
modernas usinas a vapor. 
 
b) Como seu fluido de trabalho é o ar, torna-se independente de 
suprimento de água quer para operação ou refrigeração, um 
importante fator onde o suprimento de água é limitado. 
 
c) O custo de capital por kW instalado é baixo, e pode ser construída e 
comissionada em curto prazo quando comparada às plantas de 
vapor convencionais. 
Em Juiz de Fora (MG) foi iniciada em 31.12.2009 a operação da 1ª usina 
termelétrica a etanol no mundo. A usina faz parte do parque gerador da 
Petrobrás e operava apenas com gás natural tendo sido adaptada para 
utilizar também o etanol com operação 'flex' ou bicombustível. A usina 
usa duas turbinas aeroderivadas GE LM 6000, fabricadas pela General 
Electric (GE), e tem capacidade total instalada de 87 MW. Conectada ao 
Sistema Interligado Nacional (SIN), ela tem contratos de fornecimento de 
energia até 2020. 
B.2 Geração Termelétrica a Vapor 
Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia através do 
vapor. A água é o composto mais abundante da Terra e portanto de fácil 
obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia 
por unidade de massa e volume. 
Nas centrais termelétricas convencionais, o carvão e o óleo são os 
principais combustíveis, sendo o carvão o mais comum podendo também 
ser usado o gás. O funcionamento das centrais termelétricas é 
semelhante, independentemente do combustível utilizado. Nestas 
centrais o combustível é queimado e o calor liberado na combustão é 
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convertido em eletricidade através da geração de vapor, que se expande 
na turbina a vapor (ciclo Rankine – Figura 2.45). 
As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa - os gases 
resultantes da queima do combustível não entram em contato com o 
fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os 
processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo. 
Devido a isto apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a 
ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que produzem resíduos 
sólidos (cinzas) durante a queima. 
A Figura 2.54 apresenta as várias etapas do processo de geraçãotermelétrica a vapor. O carvão é transportado da área de 
armazenamento, junto à casa da caldeira, até o depósito de carvão por 
meio de uma esteira transportadora. O carvão é pulverizado no moinho e 
o fino pó de carvão é misturado com ar pré-aquecido e assoprado na 
fornalha onde é queimado como um gás. De igual modo, a fornalha 
poderia ser alimentada com óleo. Neste caso o óleo pesado é pré-
aquecido e injetado na fornalha por meio de queimadores (maçaricos). 
 
Figura 2.54 Estrutura de um sistema de potência com geração térmica a vapor. 
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O acionamento da turbina se produz pela expansão do vapor de alta 
pressão procedente de uma caldeira convencional. As paredes da 
fornalha são recobertas com tubos contendo água. O calor da 
combustão evapora a água produzindo vapor d’água a elevada pressão 
e temperatura. Estes tubos formam o evaporador da caldeira. O vapor 
produzido na caldeira alimenta a turbina que move o gerador elétrico 
síncrono de polos lisos. 
A quantidade de energia que pode ser extraída do vapor que aciona a 
turbina depende da diferença de temperatura entre a entrada T1 e saída 
T2. A principal característica da turbina a vapor é a temperatura de início 
da produção de trabalho relativamente baixa (~560°C) quando 
comparada com a de uma máquina de combustão interna (~1000º C na 
turbina a gás) e a de rejeição de calor no condensador extremamente 
baixa (~50°C), muito próxima à temperatura ambiente. A temperatura de 
saída pode ser mantida baixa pela rápida condensação, no vácuo, do 
vapor de exaustão. Para reaproveitamento do fluído de trabalho é 
necessária a liquefação deste no condensador antes de bombeá-lo à 
caldeira. 
 
Figura 2.55 Geração termelétrica a vapor de ciclo simples e um estágio de pressão. 
 
A geração termelétrica implica necessariamente na rejeição de uma 
parcela significativa de calor. As usinas térmicas a vapor são em geral 
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localizadas nas proximidades de rios ou lagos devido a grande 
quantidade de água natural necessária para condensar o vapor que 
move a turbina. O consumo de água de uma central termelétrica a vapor 
é centrado na necessidade da mesma rejeitar calor em nível reduzido de 
temperatura. As usinas térmicas a gás não necessitam de condensação 
para o gás de escape. 
Um turbo-gerador de 500 MW consome aproximadamente 200 t/h de 
carvão ou 100 t/h de óleo. Cerca de 100 gal/s  0,46m3/s (1gal = 4,6l = 
4,6dcm3 = 4,6x10-3 m3) de água é evaporada. 
Em uma usina de 2000 MW são necessários 800 t/h de carvão, ou 400 
t/h de óleo. Grande quantidade d’água é necessária para realizar a 
condensação: 230 mil m3/h  50.000 mil gal/h de água. Se a usina é 
construída na foz de um rio, o rio poderá suprir a água, do contrário, a 
mesma água de resfriamento deverá ser reciclada. 
As torres de resfriamento permitem a troca de calor da água com a 
atmosfera. Apenas uma relativamente pequena quantidade de água de 
reposição é necessária para suplementar a perda por evaporação. Para 
uma planta de 2000 MW a quantidade de água evaporada e, portanto 
necessária de ser reposta é de 4 x 3600 x 0,46 = 6.624 m3/h. 
O conjunto turbo-gerador a vapor funciona a velocidades muito mais 
altas do que nas usinas hidrelétricas. Na frequência de 60 Hz a 
velocidade varia entre 3600 (2 polos) e 1800 rpm (4 polos). Nos sistemas 
de 50 Hz as velocidades estão entre 3000 e 1500 rpm. 
Os grandes turbo-geradores a vapor não são capazes de reagir a 
mudanças de carga extremamente rápidas, dada a sua sensibilidade a 
bruscas variações de temperatura. 
O processo de aquecer uma unidade, fazê-la funcionar à velocidade 
adequada, sincronizá-la e carregá-la a seu valor nominal podem levar 
algumas horas. Contudo, uma vez em operação, são geralmente 
capazes de reagir a mudanças de cargas da ordem de dezenas de MW 
por minuto sem sofrer dano. 
As turbinas a vapor devem operar muito próximas da frequência nominal. 
Variações de frequência podem provocar vibração das pás da turbina e 
causar fadiga do metal e, eventualmente, fissuras. Os limites 
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operacionais estão em torno de  1% para funcionamento contínuo. 
Quanto maior é o desvio da frequência, mais rápida deve ser a ação 
corretiva antes que possam ocorrer danos. Os efeitos de frequências 
altas e baixas sobre as turbinas são cumulativos. 
Em configurações de múltiplos estágios, a expansão de vapor se realiza 
em um ou mais estágios onde a energia contida no vapor se transforma 
primeiro em cinética e em seguida em energia mecânica, impulsionando 
as palhetas da(s) turbina(s). O vapor atravessa um conjunto de turbinas 
com diferentes níveis de pressão. A primeira turbina é de alta pressão 
(AP) onde o vapor se expande e entrega parte de sua energia. 
Posteriormente, o vapor atravessa outro conjunto de turbinas de média 
pressão (MP) e de baixa pressão (BP). A cada passagem o vapor se 
expande com troca entre energia térmica em mecânica seguida da 
produção de energia elétrica. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.56 Geração termelétrica a vapor de múltiplos estágios. 
As turbinas a vapor são classificadas em três grupos: 
 Turbinas de condensação: os gases de exaustão possuem uma 
pressão abaixo da pressão atmosférica. Aplicadas geralmente 
quando não há previsão da utilização do vapor de baixa ou média 
pressão, como em centrais de energia elétrica. 
 Turbinas de contrapressão: os gases de exaustão possuem 
pressão igual ou superior à pressão atmosférica, encontrando-se 
muitas vezes no estado superaquecido. Utilizadas para fornecer 
vapor exaurido para processo. 
 Turbinas de extração: as turbinas de condensação muitas vezes 
são providas de tomadas de vapor intermediário, para utilização no 
processo. O restante do vapor (quantidade não extraída) continua 
seu trajeto ao longo dos estágios seguintes da turbina a vapor até 
Gerador 
Turbina BP 
Turbina MP 
Caldeira Turbina AP 
~ 
~ 
Gerador 
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à exaustão. Esta prática, embora permita uma maior utilização do 
calor, reduz a potência produzida. 
Alguns fatores que influenciam o rendimento das turbinas a vapor são: 
 Temperatura inicial do vapor: quanto maior a temperatura, maior o 
rendimento do ciclo térmico; 
 Potência da máquina: quanto maior a potência da máquina, maior 
será o rendimento; 
 Variações na carga: variações na carga influenciam a potência e, 
portanto, o rendimento. 
As turbinas a vapor possuem um rendimento da ordem de 38% em ciclo 
simples e elevado rendimento termodinâmico, quando aplicadas em 
sistemas de ciclo combinado (cerca de 53%, com expectativa de 
operarem com 60% no futuro próximo). 
Os principais equipamentos de uma usina térmica a vapor são: 
 Caldeira (1) 
 Convencional 
 Leito fluidizado 
 Leito fluidizado circulante 
 Pré-aquecedores de ar e 
água (S1) 
 Evaporador (2) 
 Turbinas 
 Alta pressão (3) 
 Média pressão (4) 
 Baixa pressão (5) 
 Superaquecedores (S2) 
 Reaquecedores (S3) 
 Condensador (6) 
 Economizadores (7) 
 Queimadores (9) 
 Ventilador forçado (10) 
 Ventilador induzido (11) 
 Gerador elétrico (12) 
 Válvulas reguladoras (13) 
 Estação de tratamento de água 
(14) 
 Bombas de água quente (P1, 
P2, P3) 
 Bombas de óleo (15) 
 
A seguir a descrição sucinta de cada componente ilustrado na Figura 
2.57. 
 
 Caldeira (1) – atua como uma grande fornalha, transferindo calor 
gerado pela queima de combustível para um conjunto de tubos 
enfileirados, denominado Pré-Aquecedor S1, imersos entre a chama, 
por onde circula água. A bomba P1 mantém a água do cilindro2-74 
 
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circulando no pré-aquecedor. Nas usinas a carvão o tipo mais 
eficiente de caldeira é a de leito fluidizado. As plantas térmicas a 
carvão com caldeira de leito fluidizado visam a melhoria do 
rendimento da combustão e a diminuição do impacto ambiental. 
Nessas centrais, queima-se carvão sobre um leito de partículas 
inertes, através do qual se faz circular uma corrente de ar que 
melhora a combustão. O leito consiste de materiais tais como areia e 
algumas vezes pedra calcária juntamente com o combustível. Neste 
tipo de caldeira o combustível pode ser variado: carvão, resíduo de 
polpa de papel, óleo, bagaço de cana, ou qualquer outro de baixo teor 
energético. A caldeira de leito fluidizado permite o uso de um único 
combustível ou de vários simultaneamente. 
 
 
 
Figura 2.57 Diagrama da Conversão Termoelétrica a vapor. 
 
 Cilindro de água-vapor ou evaporador (2) – depósito que contém água 
e vapor em alta pressão. Se a água que é admitida no cilindro for 
quente, então uma menor quantidade de energia deverá ser 
adicionada para levar a água ao ponto de ebulição. Isto resulta em 
uma substancial redução na quantidade de combustível necessária 
para a produção de vapor. O vapor de alta pressão passa através de 
Economizador 
Re-aquecedor 
Condensador 
Superaquecedor 
Pré-
Aquecedor 
Caldeira 
Evaporador 
entrada de 
água fria 
Saída de 
água quente 
 
água 
água 
morna 
vapor 
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um equipamento denominado Superaquecedor S2 e então através da 
turbina de alta pressão. 
 Superaquecedor (S2) - trocador de calor que aquecendo o vapor 
saturado transforma-o em vapor superaquecido. O superaquecedor é 
composto por um conjunto de tubos dispostos em série em torno da 
chama, e eleva a temperatura do vapor de cerca de 200oC. Este 
aumento de temperatura garante que o vapor se torne absolutamente 
seco aumentando a eficiência da planta térmica. O cilindro é 
alimentado pela bomba P3 (8). 
 Turbina de Alta Pressão (3) – converte a energia térmica do fluido em 
energia mecânica permitindo a expansão do vapor à medida que este 
atravessa a turbina. A temperatura e pressão do vapor na saída da 
turbina AP é menor do que na entrada. 
 Re-aquecedor (S3) - para aumentar a eficiência térmica do vapor e 
evitar a sua condensação prematura, o vapor ao sair da turbina passa 
por um reaquecedor. 
 Turbina de Média Pressão (4) – é similar à turbina de alta pressão, 
exceto que é maior, permitindo que o vapor se expanda mais ainda. 
 Turbina de Baixa Pressão (5) – retira a energia ainda presente no 
vapor. É composta por dois módulos idênticos colocados no sentido 
de permitir a expansão do vapor para um vácuo quase perfeito criado 
pelo condensador. 
 Condensador (6) – condensa o vapor advindo da turbina BP, o qual 
circula sobre tubos com água corrente fria S4 advinda de fonte 
externa. A água fria nos tubos do condensador troca calor com o 
vapor. A temperatura da água fria ao atravessar o condensador 
aumenta de cerca de 5 a 10oC. O vapor condensado em geral tem 
temperatura entre 27 e 33oC e a pressão absoluta correspondente é 
próxima a do vácuo, de cerca de 5 kPa. É o vapor condensado que 
cria o vácuo. O condensador tem importância em usinas térmicas e 
nucleares similar ao da caldeira. A bomba do condensador P2 retira o 
vapor condensado morno para o economizador. Caso a instalação 
esteja à beira-mar ou próxima de um rio, a preferência é pelo 
condensador a água, com passagem única. Se isto não for possível, 
pode-se ter torres de resfriamento (as enormes torres de concreto 
com perfil parabólico são típicas de termelétricas) ou mesmo, caso 
não haja água disponível, radiadores resfriados a ar. Neste último 
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caso, os investimentos tendem a crescer e a eficiência térmica da 
planta fica reduzida. 
 Economizador (7) – se destinam a aquecer a água de alimentação 
antes de ser introduzida no interior da caldeira. O vapor condensado é 
bombeado até o economizador que recebe vapor quente advindo da 
saída da turbina AT (ou calor proveniente dos gases de combustão), 
onde é feita a mistura (vapor quente + vapor condensado) para 
aumentar a temperatura da água que retorna à caldeira, com a ajuda 
da bomba P3, para alimentar o cilindro água-vapor. Economizadores 
são usados em médias e grandes instalações. O custo adicional 
comparado com o ganho de rendimento térmico não viabiliza a 
utilização em pequenas caldeiras. 
 Torres de Resfriamento - em uma usina térmica, o fluido refrigerante 
(água) morno que sai do condensador é canalizado para o topo de 
uma torre de refrigeração onde é espargido em pequenas gotas. As 
gotas d’água caem em direção a um reservatório na base da torre, o 
contato com o ar do ambiente provoca a evaporação, e as gotas 
d’água caem resfriadas no reservatório. A água resfriada é bombeada 
do reservatório e reciclada através do condensador, de onde retira 
novamente calor do vapor condensado. O ciclo então se repete. 
Cerca de 2% da água refrigerante que circula no condensador é 
evaporada. Esta perda pode ser reposta por uma fonte ou um 
pequeno lago. 
 
Figura 2.58 Torres de resfriamento. 
Fonte: http://www.tedi.uq.edu.au/VirtualPowerPlant/plantroom.asp. 
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Usinas térmicas que não estão próximas a rios ou lagos necessitam 
de fluido refrigerante para realizar troca de calor no condensador por 
onde circula vapor condensado. 
O processo de resfriamento é obtido por evaporação. Para cada 1% 
de água que se evapora, a temperatura da água restante cai de 5,8oC. 
A evaporação é, portanto um processo efetivo de resfriamento. 
Como produzir a evaporação? 
 Expor uma grande superfície de água ao ar ambiente. 
Como realizá-la? 
 A maneira mais simples de fazê-lo é provocar, com a água a ser 
resfriada, uma chuva artificial e assoprar ar através das gotas 
d’água. 
 Bomba de Alimentação de Água (8) – transporta a água do 
economizador até o cilindro d’água de alta pressão. A alta pressão do 
cilindro (back pressure) e o grande volume de água a ser transportado 
exigem um motor de alta potência. Em usinas modernas, a potência 
da bomba-motor representa 1% da potência de saída do gerador. 
Embora isto pareça uma perda significante, vale lembrar que a 
energia gasta na bomba é recuperada posteriormente quando um 
vapor de alta pressão flui através das turbinas. 
 Queimadores (9) – alimenta e controla a quantidade de óleo, gás ou 
carvão pulverizado injetado na caldeira. O óleo derivado de petróleo é 
pré-aquecido e espargido na câmara de combustão para aumentar a 
área de contato com o ar contido na câmara e melhorar a combustão. 
 Ventilador Forçado – fornece a quantidade de ar necessária à 
combustão. 
 Pré-aquecedor de ar (10) - trocador de calor que eleva a temperatura 
do ar de combustão antes se sua entrada nos queimadores através 
da troca de calor com os gases de exaustão da caldeira. O ar pré-
aquecido melhora o funcionamento e desempenho dos queimadores, 
aumenta a estabilidade da chama, aumenta a temperatura interna da 
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câmara de combustão, aumentando portanto a troca de calor por 
radiação, permitindo a utilização de menor excesso de ar. 
 Ventilador Induzido – conduz os gases da combustão e outros 
subprodutos para equipamentos de purificação e daí para a chaminé. 
Os gases de combustão são limpos através de filtros eletrostáticos e 
descarregados na atmosfera, ciclones ou precipitadores eletrostáticos 
para captação de material particulado como cinzas e outros resíduos 
voláteisda combustão ou ainda lavadores de gases para captação de 
gases ácidos: SOx, NOx, etc.. As cinzas são recuperadas para 
aproveitamento em processos de metalurgia e no campo da 
construção, onde são misturadas com o cimento.) 
 Chaminé - lança os gases de combustão ao meio ambiente, 
geralmente a uma altura suficiente, que pode chegar a 300 m de 
altura, para dispersão dos mesmos a fim de minimizar os efeitos 
contaminantes da combustão sobre as redondezas. 
 Gerador – transforma energia mecânica em energia elétrica. 
 Válvulas Reguladoras – controla a quantidade de fluxo de vapor 
através das turbinas. 
 Estação para tratamento de água – fornece limpeza e composição 
química da água que alimenta a caldeira. 
 Bombas de Óleo – lubrifica os mancais (ponto de apoio de um eixo 
girante permitindo o movimento com um mínimo de atrito). 
As plantas termelétricas a vapor têm um histórico de alcançar até 95% 
de disponibilidade e podem operar por mais de um ano entre paradas 
para manutenção e inspeções. As taxas de faltas forçadas ou não 
planejadas são tipicamente menor que 2% ou menos que 1 semana 
por ano. 
Os fabricantes de máquinas elétricas pesadas estão competindo no 
aprimoramento dos materiais utilizados em turbinas, com o objetivo de 
aumentar o rendimento da geração termelétrica para 50%. A eficiência 
de grandes (acima de 500 MW) e modernas plantas com turbina a vapor 
é da ordem de 40-45%%. Essas plantas têm custo de instalação entre 
$800 e $2000/kW, dependendo das exigências de restrição ambiental. 
Melhorar o rendimento da geração termelétrica não apenas economiza 
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energia como permite a redução da emissão de dióxido de carbono, 
dióxido de enxofre e óxido de nitrogênio na atmosfera. 
B.3 Geração Termelétrica a Ciclo Combinado 
As centrais a ciclo combinado gás/vapor (combinação do ciclo a vapor 
Rankine com o ciclo a gás Brayton - Figura 2.59) vêm se tornando nos 
últimos anos uma alternativa interessante para a geração de energia 
elétrica e/ou para a cogeração de calor e potência. Estas centrais, além 
de apresentarem um elevado rendimento termodinâmico (cerca de 53%, 
com expectativa de operarem com 60% no futuro próximo) operando 
com gás natural, possuem também um excelente desempenho 
ambiental pela menor emissão de compostos poluentes (CO2, 
SOx e NOx). 
Uma usina termelétrica a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor 
associadas em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a partir 
da queima do mesmo combustível. 
 
 
 
Figura 2.59 Geração termelétrica de ciclo combinado. 
 
As usinas de ciclo combinado operam com a combinação de turbinas a 
gás e turbinas a vapor em série, com o aproveitamento total do calor 
gerado na câmara de combustão de uma turbina a gás (TG). Neste caso, 
como há recuperação dos gases quentes de escape o ciclo térmico é 
fechado. Para isto, o calor existente nos gases de exaustão das turbinas 
a gás é recuperado na caldeira de recuperação, produzindo o vapor 
necessário ao acionamento da turbina a vapor. 
Legenda: 
C : Compressor 
CC :Câmara de combustão 
TG :Turbina a gás 
G :Gerador elétrico 
TV :Turbina a vapor 
B :Bomba 
Torre de 
resfriamento 
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Uma característica construtiva importante do ciclo combinado é sua 
construção modular, ou seja, as turbinas a gás são instaladas primeiro e 
começam a produzir energia elétrica e gerando retorno financeiro. 
Posteriormente é instalada a turbina a vapor com respectivas caldeiras 
de recuperação como na figura abaixo. 
 
Figura 2.60 Modularidade de centrais térmicas a ciclo combinado. 
Nas últimas décadas, significantes avanços no projeto de ciclo 
combinado têm tornado esta opção a mais eficiente usina fóssil. As 
usinas CCPS's (Combined Cycle Power Station) têm como um dos seus 
principais elementos um gerador de vapor capaz de recuperar parte do 
calor dos gases de exaustão das turbinas a gás (The Heat Recovery 
Steam Generator - HRSG), sem necessidade de queima de combustível 
adicional. Os ciclos são interligados pelo trocador de calor HRSG 
denominado de caldeira de recuperação. A caldeira de recuperação é 
um trocador de calor capaz de transferir o calor existente nos gases de 
escape ou de exaustão da turbina a gás para um circuito de água-vapor. 
As usinas de ciclo combinado estão limitadas, no entanto, ao 
combustível gás para a turbina a gás e óleo para a turbina a vapor, no 
último caso quando se faz necessário queima complementar de 
combustível. O rendimento de uma usina em ciclo combinado pode 
atingir até 60%. 
A elevação no rendimento energético dessas centrais deve-se aos 
contínuos trabalhos em desenvolvimento no mundo (Europa e USA), em 
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particular sobre turbinas a gás de uso industrial (heavy duty). Esses 
trabalhos concentram-se no desenvolvimento de novos materiais, nos 
processos de refrigeração das pás girantes e estacionárias, e no 
processo de combustão: injeção de água ou vapor em câmara de 
combustão, saturação do ar de combustão, combustão catalítica, etc. 
A integração das centrais a ciclo combinado com processos de 
gaseificação de combustíveis sólidos (carvão, biomassa, etc.), 
constituindo as chamadas instalações IGCC - Integrated Gasification 
Combined Cycle e as suas variantes (IGHAT - Integrated Gasification 
Humid Air Turbine e PGFBC - Partial Gasification Fluidized Bed 
Combustion), tenderá a revigorar o papel destes combustíveis 
(especialmente do carvão) no balanço energético. 
Uma instalação IGCC é constituída, portanto, de um ciclo combinado 
gás/vapor associado a uma unidade de gaseificação para produzir um 
gás combustível. Na tecnologia IGCC, o gás combustível limpo 
apresenta características tais de poder ser queimado ao início do ciclo 
combinado gás/vapor (ciclo Brayton-Rankine), sem a necessidade de 
tratamento posterior dos gases de escape. 
 
 
Figura 2.61 Esquema simplificado de uma instalação IGCC. 
Quando a carga da turbina a gás da Figura 2.62 é outra que não um 
gerador elétrico, essa configuração caracteriza uma planta de 
cogeração. 
 
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Figura 2.62 Geração termelétrica de ciclo combinado. 
 
B.4 Geração com Motores Alternativos 
Os motores de combustão interna mais utilizados em grupos geradores 
são os motores Diesel. 
A Figura 2.63 mostra um grupo gerador onde um motor Diesel é a 
máquina térmica motora que está acoplada a um alternador. 
Câmara de 
combustão 
Turbina de 
Alta Pressão 
Carga 
Turbina 
Média 
Pressão 
Turbina 
Baixa 
Pressão 
Gerador 
Gases de 
Escape 
Vapor de média pressão 
TG Compressor 
Ar 
Combustível 
Gerador 
de gás 
~ Caldeira 
Vapor de baixa pressão 
Energia térmica útil 
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Figura 2.63 Grupo gerador com motor Diesel. 1- Máquina térmica motora, motor Diesel. 2- Máquina 
elétrica geradora. 3- Árvore, através da qual o motor Diesel fornece a potência para o gerador. 4- Saída 
dos produtos da combustão. 5 - Entrada ou saída do fluido refrigerante. 
No motor Diesel, a regulação de velocidade é feita a partir da injeção de 
combustível no motor. Esta regulação de velocidade é fundamental para 
que a frequência do grupo gerador seja constante, em 60 ou 50 Hz 
dependendo do sistema, independentemente da variação da carga. 
O central Diesel, apesar de sua limitação de potência, ruído e vibração, 
constituem um tipo de central muito utilizado até potências de 40 MW. 
Isto porquesão bastante compactas, entram em carga em um tempo 
muito pequeno, são de fácil operação e apresentam um plano de 
manutenção de fácil execução, entre outros motivos.