ciclos combinados e cogeraýýo

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Termelétrica de Ciclo Combinado 
 
As usinas termelétricas são máquinas térmicas que têm como objetivo a 
conversão da energia de um combustível em energia elétrica. 
A eficiência térmica de conversão destas usinas é definida como a razão entre 
a energia útil produzida (que gera retorno econômico) e a energia do 
combustível que é consumida (que implica em custo operacional). 
Em cenários econômicos onde o preço da unidade de energia do combustível é 
relativamente alto, a eficiência térmica é um fator muito importante para que 
estas usinas se tornem economicamente viáveis. 
Duas temperaturas são muito importantes para o bom desempenho de uma 
máquina térmica: 
• Ti a temperatura na qual a máquina começa a conversão da energia 
térmica contida nos produtos da combustão em trabalho 
• Tf a temperatura 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 Ti e quanto menor a 
temperatura Tf (mais próxima à temperatura ambiente) maior é a eficiência de 
conversão. 
Outra forma de energia útil que uma termelétrica pode produzir é calor para 
processos industriais (que também gera retorno econômico). Neste caso tem-
se uma usina de cogeração. 
Para maximizar o retorno econômico de uma termelétrica operando em um 
cenário com custo de combustível relativamente alto, deve-se aproveitar todas 
as formas possíveis de energia útil, como apresentado abaixo. 
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2. Turbina a Vapor 
 
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. 
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Como as turbinas a vapor são máquinas de combustão externa então o calor 
necessário para a ebulição do condensado e para o superaquecimento 
posterior deve ser transferido dos produtos de combustão ao fluído de trabalho 
através das serpentinas no interior da caldeira. 
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Devido a isto e à relação entre as propriedades da água, os processos de 
conversão da energia do combustível em trabalho começa em 
uma temperatura (560 oC) relativamente baixa quando comparada com a de 
uma máquina de combustão interna. Por outro lado, a temperatura de rejeição 
de calor (no condensador) é extremamente baixa (muito próxima à temperatura 
ambiente). 
Para reaproveitamento do fluído de trabalho é necessário a liquefação deste no 
condensador antes de bombeá-lo à caldeira. 
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Os dois trocadores de calor, a caldeira e o condensador, são equipamentos de 
grande porte e influem fortemente nas características da turbina a vapor 
quando comparadas com as turbinas a gás: 
a) Maior relação peso por potência ( kg/kW ) 
b) Maior espaço ocupado por potência ( m3/kW ) 
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Com relação ao que será discutido na próxima página, ciclo combinado, a 
principal característica da turbina a vapor é a temperatura de início da 
produção de trabalho (~560 °C) e a de rejeição de calor (~50°C). 
 
3. Turbina a Gás 
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As turbinas a gás são motores térmicos que realizam a conversão da energia 
de um combustível em potência de propulsão, potência de eixo ou potência 
elétrica. 
Quando comparadas com os outros motores térmicos, apresentam como 
características principais: 
a) Menor relação entre custo de capital e potência ( $/kW ) 
b) Menor relação peso por potência ( kg/kW ) 
c) Menor relação espaço ocupado por potência ( m3/kW ) 
As turbinas a gás são máquinas de combustão interna ( a mistura de gases 
resultantes da queima do combustível é o fluído de trabalho que escoa no 
interior da máquina realizando os processos de conversão da energia do 
combustível em potência de eixo ) e portanto necessitam de um combustível de 
qualidade, por exemplo: gás natural. 
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Por serem máquinas de combustão interna 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. 
Com relação ao que será discutido na página referente a ciclo combinado a 
principal característica da turbina a gás é a temperatura de início da produção 
de trabalho (~1000 °C) e a de rejeição de calor (~500°C) 
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4. Ciclo Combinado 
 
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Devido às características das turbinas a gás e das turbinas a vapor, as 
condições de acoplamento térmico entre os dois ciclos são muito boas. No ciclo 
combinado (turbina a gás/turbina a vapor), o calor necessário para a caldeira 
da turbina a vapor é fornecido pelos gases quentes da exaustão da turbina a 
gás. 
 
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No acoplamento há uma redução na eficiência térmica de cada turbina. Para a 
turbina a gás ocorre um aumento da pressão na saída enquanto que a 
temperatura na qual começa o processo de transformação de calor em trabalho 
na turbina a vapor é reduzida. 
Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gás/turbina a vapor) resulta na 
termelétrica mais eficiente na conversão da energia do combustível em 
potência elétrica, pois tem uma temperatura alta de início de conversão de 
calor em trabalho e uma temperatura de rejeição de calor muito baixa. 
 
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 
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instalada a turbina a vapor com respectivas caldeiras de recuperação como na 
figura abaixo. 
 
Exemplo de Plantas com Ciclo Combinado 
Exemplo 1: 
 
 
 
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Exemplo 2: 
 
Exemplo 3: 
 
5. Cogeração 
Cogeração é a geração seqüencial em temperatura de trabalho (energia 
elétrica ou mecânica) e de energia térmica (calor ou ‘frio’) através de uma única 
queima de combustível. 
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Na cogeração aproveita-se o potencial existente nos produtos resultantes da 
queima de um combustível que estão a alta temperatura para geração de 
trabalho e energia térmica. 
Os produtos de combustão a alta temperatura possuem uma grande 
disponibilidade para conversão de sua energia interna em trabalho. Quando se 
utiliza esta energia em baixas temperaturas (como calor para processo) esta 
disponibilidade é dissipada. A cogeração visa o aproveitamento deste potencial, 
obtendo uma forma de energia de maior qualidade termodinâmica (trabalho), 
abaixando a temperatura dos produtos de combustão que depois fornecem 
calor para processo. 
Um motor térmico, por exemplo uma turbina a gás, aproveita a energia dos 
produtos de combustão produzindo trabalho. Os gases de exaustão são 
rejeitados a uma temperatura suficientemente alta para fornecerem calor para 
processo ao passarem por uma caldeira de recuperação. 
 
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Composição de Um sistema básico 
A junção da produção de trabalho e de energia térmica com uma única queima 
de combustsível e aproveitamento seqüêncial em temperatura resulta em uma 
grande economia de energia primária (combustível). 
Na produção em separado de 35 unidades energia elétrica e de 50 unidades de 
calor são consumidas 125.5 unidades de energia, como apresentado abaixo. 
Em uma termelétrica de alta eficiência (ciclo combinado η������������
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Utilizando uma caldeira convencional (h������������������	����	�������
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Resultando no seguinte balanço de energia para a produção em separado de 
energia elétrica e calor. 
 
Em uma usina de cogeração, utilizando uma turbina a gás e uma caldeira de 
recuperação, são necessárias 100 unidades de energia de combustível para a 
produção de 35 unidades de energia elétrica e 50 unidades de calor. Se a 
eficiência da turbina a gás for igual a 35 %, são consumidas 100 unidades de 
energia de combustível para a produção de 35 unidades de energia elétrica. 
Com as 65 unidades de energia rejeitadas nos gases de exaustão, uma 
caldeira de recuperação com 77 % de eficiência produz as 50 unidades de 
calor para processo na forma de vapor. 
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Os balanços de energia para a usina de cogeração e para a produção em 
separado são apresentados abaixo: 
 
Voltar 
 
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A usina de cogeração produz as mesmas quantidades de energia elétrica e 
calor com uma economia de energia de combustível de: 
(125.5-100)/125.5 = 20.3 % 
Do ponto de vista termodinâmico (preservação de reservas de combustível), a 
cogeração é plenamente justificável. 
A viabilidade econômica da cogeração deve ser verificada através da análise 
do fluxo de caixa para uma determinada aplicação, considerando o custo inicial 
dos equipamentos e os retornos e desembolsos correntes durante a vida da 
usina. 
Exemplos de Sistemas de Cogeração 
A. Processo do Sistema de Suprimento de Vapor 
1) A turbina a Gás aciona o gerador. 
2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. 
 
B. Sistema de refrigeração do ar de entrada 
1) A turbina a Gás aciona o gerador. 
2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. 
Usando a Energia Secundária Vapor como uma fonte de calor, o chiller de 
absorção é operado. E a água gelada gerada esfria o ar de entrada da turbina 
de gás que recupera a produção da turbina de gás durante o verão. 
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C. Sistema de Compressão do Gás Combustível 
1) A turbina a Gás aciona o gerador. 
2) O expansor a vapor é acionado pelo vapor do gerador de vapor de 
recuperação que pode acionar o compressor de gás combustível, compressor 
de ar ou o gerador. 
3) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. 
 
D. Sistema de acionamento Mecânico 
1) A turbina a gás aciona diretamente o compressor de ar através da 
embreagem. 
2) As energias secundárias são ar comprimido e vapor saturado. 
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E. Sistema de Secagem 
1) A turbina a Gás aciona o gerador. 
2) As energias secundárias são eletricidade e a fonte de calor para secagem. 
 
F. Sistema de Queima Adicional 
1) A turbina a Gás aciona o gerador. 
2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. 
3) Pode ser aumentado o fluxo de vapor através de um sistema de queoma 
adicional quando exigido, instalando um queimador adicional no duto da 
exaustão da turbina a gás. 
 
G. Sistema de Ciclo Combinado 
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1) A Turbina a Gás aciona o gerador. 
2) Vapor do gerador de vapor de recuperação aciona a turbina a vapor que 
aciona o gerador. 
3) As energias secundárias são eletricidade, de duas fontes, e vapor saturado / 
superaquecido. 
 
H. Sistema de Ciclo Cheng 
1) A Turbina a Gás aciona o gerador. 
2) Vapor do gerador de vapor de recuperação é injetado no combustor da 
turbina a gás, que aumenta a saída e a eficiência como um ciclo binário. 
3) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. 
 
 
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