3º ano 6º semestre
Aula 27
Sistemas Energéticos
Aula 27: Energia Geotérmica
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Tópicos
Introdução
Energia geotérmica – funcionamento e
tecnologia
Aproveitamento do calor geotérmico
Vantagens da energia geotérmica
Desvantagens da energia geotérmica
Problemas
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27.1 - Introdução
Energia geotérmica é a energia obtida a partir do calor proveniente da Terra, mais
precisamente do seu interior. Funciona graças à capacidade natural da Terra e/ou
da sua água subterrânea em reter calor.
Para que possamos entender como é aproveitada a energia do calor da Terra
devemos primeiramente entender como nosso planeta é constituído.
A Terra é formada por grandes placas, que nos mantém isolados do seu interior,
no qual encontra-se o magma, que consiste basicamente em rochas derretidas.
Com o aumento da profundidade a temperatura dessas rochas aumenta cada vez
mais, no entanto, há zonas de intrusões magmáticas, onde a temperatura é muito
maior. Essas são as zonas onde há elevado potencial geotérmico.
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27.1.1 As Camadas Da Terra
A Litosfera, é a camada rígida do globo terrestre, com 50 a 60 Km de
espessura, compreendendo o sial e o sima.
O sial - é a parte mais externa da litosfera, com 15 a 25 Km de espessura,
e é nele que se formam o solo e o subsolo. Predominam no sial os
minerais silício e alumínio, de onde vem seu nome (Si, de silício, e Al, de
alumínio).
O sima - logo abaixo do sial, tem a espessura de 30 a 35 Km e nele
predominam o silício (Si) e o magnésio (Ma). Os minerais que compõem
o sima apresentam maior densidade que os do sial.
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27.1.1 As Camadas Da Terra
O manto - com espessura de aproximadamente, 4600 Km, é formado
de minerais em estado pastoso, em virtude das altas temperaturas nessa
profundidade (cerca de 4000ºC). Recebe também o nome de magma,
palavra grega que significa "massa"(alusão à massa pastosa) e divide-se
em manto inferior e manto superior.
O nife ou núcleo - central da Terra cuja espessura admite-se ser 1
800 Km, possui temperaturas que chegam a mais de 6000ºC. Nele
predominam minerais de alta densidade, como o níquel (Ni) e o ferro
(Fe).
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27.1.1 As Camadas Da Terra
A sismologia admite que, numa certa camada de manto
superior (entre 100 e 350 Km de profundidade), existe uma
massa plástica de minerais capaz de se deslocar em estado
líquido: é a denominada astenosfera (do grego asthenes =
"fraqueza", e sphaera esfera). É sobre ela que se assentam as
placas tectônicas. Calcula-se que a astenosfera encontra-se a
cerca de 100 Km sob os continentes e a 50 Km ou menos sob
os oceanos.
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27.1.2 A Estrutura Interna Da Terra
Os estudos sobre as camadas geológicas da Terra são fundados a
partir de perfurações da crosta terrestre, mas sendo assim dos
aproximadamente 6381 km de profundidade até o centro da Terra,
as escavações só tem acesso aos primeiros quilómetros, o homem
atingiu a marca de 10 Km e ocorreu no norte da Rússia. Portanto a
maior parte do conhecimento do interior da Terra é obtida de forma
indirecta.
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27.1.2 A Estrutura Interna Da Terra
Os estudos geofísicos, auxiliados pela sismologia, têm procurado
esclarecer várias questões relativas ao interior da Terra. por exemplo,
pelo estudo da propagação das ondas dos terremotos (sismos) de um
lugar para outro da Terra é possível saber o tipo de material que essas
ondas atravessam no interior de nosso planeta. As variações e os
desvios das ondas, em sua propagação, oferecem elementos para
conhecer a estrutura interna da Terra, ou seja, suas camadas, suas
propriedades e seus limites.
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27.1.2 A Estrutura Interna Da Terra
O estudo do vulcanismo, da densidade dos minerais e do grau
geotérmico também auxilia os geofísicos em sua busca de
conhecimento sobre o interior da Terra.
O grau geotérmico, chamado também de gradiente geotérmico, é a
profundidade em metros correspondente a cada aumento de 1ºC na
temperatura da Terra (a média geral do planeta é de 33m)
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27.1.3 Histórico - Linha do Tempo
O calor da terra é utilizado desde os tempos antigos.
A primeira tentativa de gerar eletricidade a partir de fontes geotérmicas se deu em 1904 em Larderello na região da toscana, em Itália.
Em 1913, uma estação de 250 kw foi construida com sucesso.
Em 1950 na Nova Zelândia o campo de gases de Wairakei localizado na ilha do Norte, foi usado para gerar energia geotérmica.
Em 1980, um campo de gêiseres na Califórnia produziu 500 MW de eletricidade, logo em seguida países como México, Japão, Filipinas, Quênia e Islândia também expandiram a produção de eletricidade por meio geotérmico.
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“Geotérmico” vem das palavras gregas geo (terra) e therme (calor)assim,
geotérmico significa calor terrestre.
Desde os tempos primordiais que usamos a água geotérmica que fluiu
livremente da superfície da terra como termas. O uso mais antigo e mais
comum era, naturalmente, somente relaxar nas consoladoras águas
quentes.
Mas, eventualmente, esta ‘água mágica’ foi usada (e ainda é) de outros
modos criativos. Os Romanos, por exemplo, usaram a água geotérmica
para tratar doença dos olhos e pele e, em Pompeia, aquecer edifícios.
27.2 - Energia geotérmica – funcionamento e tecnologia
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Há 10 mil anos, os Americanos Indígenas usavam a água das termas para
cozinha e e para medicina.
Durante séculos os maoris da Nova Zelândia cozinharam ‘geotermicamente’
e, desde a década de 1960, que a França aquece até 200 mil casas usando água
geotérmica.
Hoje em dia perfuramos poços nos reservatórios geotérmicos para trazer a
água quente à superfície. Os geólogos, geoquímicos, perfuradores e
engenheiros fazem explorações e testes para localizar áreas subterrâneas que
contêm esta água geotérmica, de forma a sabermos onde perfurar poços de
produção geotérmicos.
27.2 -Energia geotérmica – funcionamento e tecnologia
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Então, assim que a água quente e/ou vapor viaja dos poços até à
superfície, podem ser usados para gerar a electricidade em centrais
geotérmicas ou para a energia para usos não-eléctricos.
Existe uma grande quantidade de energia sob a forma térmica
contida no interior do planeta. Esta é transmitida para a crosta
terrestre sobretudo por condução.
Esta representa uma potência de 10.000 vezes da energia
consumida por ano no mundo actualmente.
27.2 -Energia geotérmica – funcionamento e tecnologia
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Este recurso pode ser classificado em duas categorias:
Alta temperatura (T>150 ºC): este recurso está geralmente associado a
áreas de actividade vulcânica, sísmica ou magmática. A estas
temperaturas é possível o aproveitamento para a produção de energia
eléctrica;
Baixa temperatura (T<100 ºC): resultam geralmente da circulação de
água de origem meteórica em falhas e fracturas e por água residente em
rochas porosas a grande profundidade. O aproveitamento deste calor
pode ser realizado directamente para aquecimento ambiente, de águas,
piscicultura ou processos industriais.
27.2.1 – Conversão da EnergiaP
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Nos processos geotérmicos existe uma transferência de energia por
convecção tornando útil o calor produzido e contido no interior da terra.
O aproveitamento também pode ser feito utilizando a tecnologia de
injecção de água a partir da superfície em maciços rochosos quentes.
A utilização ideal da energia geotérmica é em cascata, a temperaturas
progressivamente mais baixas, até cerca dos 20ºC (Diagrama de Lindal).
Actualmente existe também a utilização de ciclos binários na produção de
energia eléctrica e de bombas de calor (BCG) no caso de utilizações
directas.
27.2.2 -TecnologiasP
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27.3 Aproveitamento do calor geotérmico
O aproveitamento do calor implica a necessidade de execução de
infra-estruturas de captação, os poços de produção, e a construção
de centrais onde se procede às trocas de calor e à transformação de
calor em energia eléctrica.
Os poços geotérmicos são sondagens construídas na crosta terrestre
através de perfurações concêntricas e respectivos revestimentos em
aço de forma a atravessarem as formações geológicas onde reside o
aquífero geotérmico, podendo atingir vários quilómetros de
profundidade.
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27.3 Aproveitamento do calor geotérmico
Um poço geotérmico, de modo simplificado, é constituído por dois
segmentos, um superficial revestido com uma tubagem cega
cimentada contra as formações e outro profundo constituído por
tubagem perfurada, solta das formações, formando um ecrã
drenante do geofluido a conduzir para a superfície. O troço
superficial é encimado por um conjunto de válvulas que permitem a
operação e o controlo da extracção dos fluidos geotérmicos.
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27.3 Aproveitamento do calor geotérmico
No caso da produção de electricidade são genericamente usados dois
tipos de tecnologias: a tradicional com recurso a turbogeradores
convencionais, onde se expande directamente o vapor geotérmico,
ou, em alternativa, a tecnologia binária que usa um fluido
intermédio que é aquecido pelo vapor e água geotérmicos, cujo
vapor sobreaquecido do fluido de trabalho é expandido no
turbogerador, repetindo-se o ciclo em circuito fechado.
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27.3 Formas de utilização da energia geotérmica
1. Utilização directa: reservatórios geotérmicos de temperaturas
baixas moderadas (20ºC-150ºC) podem ser aproveitadas
directamente para fornecer calor para a indústria, aquecimento
ambiente, termas e outros aproveitamentos comerciais
2. Bombas de calor geotérmicas (BCG): Aproveitam as diferenças
de temperatura entre o solo e o ambiente, fornecendo calor e frio.
3. Centrais Geotérmicas: aproveitamento directo de fluidos
geotérmicos em centrais a altas temperaturas (> 150 ºC), para
movimentar uma turbina e produzir energia eléctrica.
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27.3.1 Centrais Geotérmicas
No caso das Centrais Geotérmicas, para obter energia geotérmica
são realizados dois furos próximos e bem profundos no solo, de
forma a alcançar uma camada de rocha quente. Num desses furos é
introduzida água, que será aquecida pela própria rocha e expelida
pelo segundo furo, em forma de vapor. Esse vapor quente é
transportado através de tubulações até à usina, na qual irá fazer girar
as lâminas de uma turbina que, em movimento, e com a ajuda de um
gerador, é transformada em energia eléctrica.
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27.3.1 Centrais Geotérmicas
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27.3.2 Bombas de calor geotérmicas (BCG):
O princípio de operação de energia geotérmica é a permuta de calor que
ocorre entre o fluido e a terra. Para isso, é utilizado um permutador de calor
constituído por um conjunto de tubos de polietileno, enterrados a uma
determinada profundidade. A essa profundidade, a temperatura é constante, e
não é afectada pelas condições climatéricas do ambiente. No interior dos tubos,
circula um fluido de trabalho e devido à acção dinâmica do fluido o mesmo
alcança a temperatura constante de operação.
O permutador de calor está ligado a uma bomba de calor geotérmica (BCG),
que é responsável pela geração de calor e frio como se trata de um sistema de
climatização.
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27.3.2 Bombas de calor geotérmicas (BCG)P
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27.3.2 Bombas de calor geotérmicas (BCG)
A energia geotérmica permite grande economia de energia, e
por ter a temperatura do fluido constante, a diferença de
temperatura é mais baixa, reduzindo a energia necessária para
o funcionamento dos sistemas de condicionamento do ar.
Pode-se esperar uma economia de até 60% da energia usada
em comparação com os sistemas tradicionais.
A energia geotérmica tem portanto, o período de reembolso
aceitável com o mínimo de manutenção.
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Limpa. As centrais geotérmicas, como as centrais solares e eólicas, não
têm de queimar combustíveis para manufacturar o vapor para mover as
turbinas. A geração de electricidade com a energia geotérmica ajuda a
conservar os combustíveis fósseis não renováveis e reduzindo o uso
desses combustíveis, reduz-se as emissões que prejudicam a nossa
atmosfera. Não há nenhum ar fumegante à volta de centrais geotérmicas
– de facto algumas são construídas no meio de colheitas de quintas e
florestas, e partilham terreno com o gado e vida selvagem local.
27.4 -Vantagens e benefícios da energia geotérmica
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Não prejudica a terra. A área de terreno necessária para
centrais geotérmicas é mais pequena por megawatt do que para
quase cada outro tipo de centrais. As instalações geotérmicas não
precisam de barrar rios ou de colher florestas – e não há cabos de
minas, túneis, covas abertas, pilhas de lixo ou derramamentos de
óleo.
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Fiável. As centrais geotérmicas são projectadas para funcionar 24 horas
por dia, durante todo o ano. Uma central geotérmica situa-se
directamente por cima da sua fonte de combustível. É resistente a
interrupções de geração de energia devido a condições atmosféricas,
catástrofes naturais ou cisões políticas que podem interromper o
transporte de combustíveis.
Flexível. As centrais geotérmicas podem ter desenhos modulares, com
unidades adicionais instaladas em incrementos quando necessário para se
ajustar à crescente procura de electricidade.
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Poupa Divisas. O dinheiro não tem de ser exportado para
importar combustível para centrais geotérmicas. O “combustível”
geotérmico – como o sol e o vento – está sempre onde a central
está; os benefícios económicos permanecem na região e não há
nenhum choque de preços de combustível.
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Ajuda os Países em Desenvolvimento. Os projectos
geotérmicos podem oferecer todos os benefícios acima
mencionados para ajudar os países em desenvolvimento a crescer
sem poluição. E as instalações em localizações remotas podem
levantar o nível e qualidade de vida trazendo electricidade a pessoas
longe dos centros demográficos “electrificados”.
27.4 -Vantagens e benefícios da energia geotérmica
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Desde que a primeira electricidade gerada geotermicamente no mundo
foi produzida em Larderello, a Itália, em 1904, que o uso da energia
geotérmica para electricidade cresceu a nível mundial para
aproximadamente 27,000 megawatts em vinte e um países em todo o
mundo.
Só os Estados Unidos produzem 2700 megawatts de electricidade de
energia geotérmica, electricidade comparável a queimar sessenta milhões
de barris de petróleo por ano.
27.4 -Vantagens e benefícios da energia geotérmica
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Se não for usado em pequenas zonas onde o calor do interior da
Terra vem à superfície através de géiseres e vulcões, então a
perfuração dos solos para a introdução de canos é dispendiosa.
Os anti-gelificantes usados nas zonas mais frias são poluentes: apesar
de terem uma baixa toxicidade, alguns produzem CFCs e HCFCs.
27.5 -Desvantagens da energia geotérmicaP
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Este sistema tem um custo inicial elevado, e a barata manutenção da
bomba de sucção de calor (que por estar situada no interior da Terra
ou dentro de um edifício não está exposta ao mau tempo e a
vandalismo), é contrabalançada pelo elevado custo de manutenção
dos canos (onde a água causa corrosão e depósitos minerais).
27.5 - Desvantagens da energia geotérmicaP
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Problema 27.1
Uma central recebe vapor geotérmico saturado que entra na instalacão a 2
MPa. O vapor entra na turbina a 0,3 MPa e sai a 15 kPa. O rendimento
isentropico da turbina é de 85 por cento, e o rendimento do gerador eléctrico
de 95 por cento. Se a re-injeção ocorrer somente na torre de resfriamento,
tendo em conta que o processo é representado pelo diagrama, qual será o
desempenho térmico do sistema e o calor por kWh.
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Problema 27.1- Resolução (I)
O Ponto 1 representa vapor saturado. Das tabelas de propriedades de
vapor saturado, para P= 2 MPa tem-se: h1=2799,5 kJ/kg e T1 = 212,42
ºC.
O Ponto 2 representa vapor superaquecido. Das tabelas de propriedades
de vapor superaquecido, para P= 0.3 MPa, tem-se: h2=2865,6 kJ/kg. A
temperatura de saturação é de 133,55 ºC. Considerando que a expansão
na turbina ocorre a pressão constante, então haverá uma redução de
temperatura e assim:
Quando h2 = 2865,6 kJ/kg,T2 = 200 ºC
Quando T = 150 ºC, h2` = 2761,0 kJ/kg,
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Problema 27.1- Resolução (II)
A fracção de variação de energia do Ponto 1 ao Ponto 2, pode ser expressa
como.
368,027616,2865
27615,2799,
22
,
21
hh
hhfrac
CTT
TT
TTfrac
0
33
,
22
,
23
4,168150200
150368,0
Similarmente.
Portanto, o superaquecimento efectuado entre os pontos 2 e 3 é:
∆T=168,4ºC-133,55 ºC =34,85 ºC.
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Problema 27.1- Resolução (III)
As entropias são analizadas do mesmo modo. de vapor superaquecido, para
P= 0,3 MPa, tem-se, S2 = 7,0778 kJ/kgºK quando T2 = 200 ºC e S2` =
7,3115 kJ/kgºK, quando T = 150 ºC.Assim:
KkgkJSS
SS
SSfrac
0
33
,
22
,
23
/164,70778,73115,7
0778,7368,0
Considerando o processo 3-4 isentrópico S3=S4= 7,164 kJ/kgºK
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Problema 27.1- Resolução (IV)
O Ponto 4 está na zona de mistura. O título pode ser determinado
considerando S3=S4, e lendo na tabela os valores de entropia do líquido e
da mistura. Assim para P= 15 kPa, tem-se, S4f = 0,7549 kJ/kgºK e
S4fg=7,2536 kJ/kgºK. Deste modo o título será:
884,02536,7
7549,0164,7
4
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fg
f
S
SSx
E resulta que:
kgkJxhhhh
hhx
fgfs
fg
fs/23231,2373884,094,225444
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Problema 27.1- Resolução (V)
Considerando que h1=h3=2799,5 kJ/kg e o rendimento isentropico da
turbina é de 0.85 teremos:
Wideal=h3 - h4s =2799,5-2323=476,5 kJ/kg
Wreal=η xWideal =405 kJ/kg
E a entalpia real 4 será:
h4=h3 -Wreal =2799,5 - 405=2394,5 kJ/kg
E a eficiência térmica do sistema será:
142,096,835,2799
40595,0
_1
ambt
realesist
hh
W
Em termos de calor, 1 kWh = 3412,14 BTU
kWhBTUCalorthermal
/15,2402914,3412
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Problema 27.2
Água geotérmica proveniente de um poço é injectada numa usina de
geotérmica a uma temperatura de 260 ºC e uma pressão de 10 MPa. O
fluido flui para um separador misturador a uma pressão de 0,5 bar. A
pressão de saída da turbina é 0,2 bar. A eficiência global da turbina é 0.83.
Pretende-se calcula-se a eficiência térmica, a massa de vapor e caudais de
água necessários para uma potência de 5 MW.
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Problema 27.2- Resolução (I)
A partir da temperatura T = 260 ºC, da tabela de água saturada
hfpoço=1134,37 kJ/kg:
A partir da pressão P = 0,5 bar no separador misturador tem-se:
hfs=340,49 kJ/kg e hfgs=2305,4 kJ/kg
E resulta que o título no separador será:
344,04,2305
49,34037,1134
fgs
fss
h
hhx
Tendo em conta que numa turbina entra só vapor, então x = 1. Para uma
presão de entrada de 0,5 bar:
hin=2645,9 kJ/kg e Sin=7,5939 kJ/kgºK
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
45
Problema 27.2- Resolução (II)
Na saída da turbina onde a pressão é de 0,2 bar e usando as tabelas de
vapor saturado, teremos:
Sout=7,5939 kJ/kgºK – processo isentropico
Sfout=0,8320 kJ/kgºK e Sfgout=7,0766 kJ/kgºK
hfout=251,4 kJ/kg e hfgout=2358,3 kJ/kgº
E assim pode-se calcular:
955,00766,7
8320,05939,7
_
_
outfg
outfout
S
SSx
kgkJxhhh outfgoutfout /6,25033,2358955,04,251__
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
46
Problema 27.2- Resolução (III)
O trabalho ideal será:
kgkJhhW outideal /32,1426,25039,2645int
kgkJWW idealreal /12,11832,14283,0
O trabalho real será:
Considerando hamb =83,91 kJ/kg calcula-se:
113,096,8337,1134
32,118
__
ambtwellf
realsist
hh
W
O rendimento do misturador separador estima-se como:
0388,0113,0344,0_ sistspmpoc x
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
47
Problema 27.2- Resolução (IV)
E a massa de vapor e caudais de água necessários para uma potência de 5
MW:
skgkgkJ
kW
W
Pm
real
sistvapor /33,42
/12,118
5000.
skgx
mm
mist
vaporagua /05,123
344,0
33,42.
.
kWhBTUCalorthermal
/93,3019514,3412
O calor por cada kWh é :
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
48
Problema 27.3
Considerando o sistema geotérmico do Problema 2 e admitindo as
mesmas condições iniciais, determinar o eficiência térmica, e a taxa de
fluxo sabendo que o líquido entra na turbina como líquido saturado e é
descarregado a 0,2 bar.A eficiência, ηe, da turbina é de 0,50.
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
49
Problema 27.3- Resolução (I)
A partir da temperatura T = 260 ºC, da tabela de água saturada
hfpoço=1134,37 kJ/kg e Psat = 4,6921 Mpa.
Os valores para as entropias e entalpias do líquido e vapor são:
Sf2=2,8840 kJ/kg.K e Sfg2=3,1168 kJ/kg.K
hf2=1134,8 kJ/kg e hfg2=1661,7 kJ/kg
Para a pressão P3= 0,2 bar, na saída da turbina tem-se:
Sf2=0,8320 kJ/kg.K e Sfg2=7,0753 kJ/kg.K
hf2=251,43 kJ/kg e hfg2=2357,6 kJ/kg
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
50
Problema 27.3- Resolução (II)
A partir da temperatura T = 260 ºC, da tabela de água saturada
hfpoço=1134,37 kJ/kg e Psat = 4,6921 Mpa.
Os valores para as entropias e entalpias do líquido e vapor são:
Sf2=2,8840 kJ/kg.K e Sfg2=3,1168 kJ/kg.K
hf2=1134,8 kJ/kg e hfg2=1661,7 kJ/kg
E resulta que o título no separador será:
29,00753,7
8320,08840,2
3
32
fg
fs
S
SSx
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
51
Problema 27.3 - Resolução (III)
E resulta que:
kgkJxhhh outfgoutfout /388,9356,235729,043,251__
kgkJhhW outfideal /4,199388,9358,11342
kgkJWW idealreal /7,994,1995,0
Trabalho ideai e real será:
Rendimento térmico do sistema:
095,096,8337,1134
7,99
__
ambtwellf
realsist
hh
W
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
52
Problema 27.3 – Resolução (IV)
E resulta que o calor e o fluxo de vapor são:
skgkgkJ
kW
W
Pm
real
sistvapor /15,50
/7,99
5000.
kWhBTUCalorthermal
/26,3591714,3412
Pro
f. D
outo
r E
ngº
Jorg
e N
ham
biu ◊
Sist
emas
Ene
rgét
icos
53