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Geração de EnergiaElétrica

Joinville, 11 de Abril de 2012

Geração Termoelétrica a Vapor

Fernando B. Prioste

Escopo dos Tópicos AbordadosConceitos básicos de termodinâmica;Centrais Térmicas a Vapor:– Descrição de Componentes (Caldeira+Turbina);– Material obtido através do P&D EFEI (atual UNIFEI) com FURNAS e Dissertação de mestrado

Fernando B Prioste - Itajubá 2005.

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Geração Termoelétrica a VaporSegunda Lei da Temodinâmica:Enunciado de Clausius: Impossibilidade de transferência espontâneade calor de um sistema de baixa temperatura para um sistema de temperatura mais elevada;

Enunciado de Kelvin-Planck: impossibilidade de um sistema realizar um ciclo termodinâmico retirando calor de uma única fonte e realizando trabalho positivo

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Fernando B. PriosteFernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a VaporSegunda Lei da Temodinâmica:Processos Reversíveis: são processos ideais - sem perdas;

Processos Irreversíveis: o sistema e todas as partes de sua vizinhança não puderem ser exatamente restaurados aos seus respectivos estados iniciais.

São consideradas irreversibilidades: atrito, deformação inelástica, troca de calor, perda Joule, dentre outros.

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Geração Termoelétrica a VaporSegunda Lei da Temodinâmica:Exemplo da Segunda lei: Se for colocada uma máquina entre um reservatório de calor quente e outro frio, o fluido irá espontaneamente do corpo quente para o corpo frio, conforme o enunciado de Clausius. Parte da energia transmitida do fluido pode ser aproveitada pela máquina, produzindo trabalho.

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Ciclo de uma máquina térmica motora.

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Geração Termoelétrica a VaporSegunda Lei da Temodinâmica:Rendimento:– O rendimento térmico do ciclo da máquina motora :

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H

C

H

CHt Q

QQ

QQ−=

−= 1η

=HQ calor transferido da fonte quente [ ]J ;

=CQ calor transferido da fonte fria [ ]J ;

O rendimento do ciclo não pode chegar a 100%, pois violaria o enunciado de Kelvin-Planck.

H

C

revH

C

TT

QQ

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛Para um processo reversível:

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Geração Termoelétrica a VaporSegunda Lei da Temodinâmica: Rendimento:– O rendimento térmico do ciclo da máquina motora :

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H

C

H

CHt Q

QQ

QQ−=

−= 1η

O ciclo de vapor possui um baixo rendimento, que é consequência da segunda lei da termodinâmica;

Se a temperatura de saída do vapor pudesse ser reduzida ao zero absoluto (0 Kelvin) , poder-se-ia recuperar praticamente toda a energia do vapor, mas “infelizmente” a temperatura ambiente é por volta dos 300 K;

Naturalmente, pode-se chegar a tal resultado através da refrigeração, porém a potência necessária para acionar este hipotético sistema de refrigeração seria superior ao adicional que se ganharia no ciclo, o que não traria no cômputo geral um resultado satisfatório.

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Caldeira + Turbina:


Analogia:

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Aumento do rendimento do ciclo térmico:Inserção do condensador.


H

C

H

CHt Q

QQ

QQ−=

−= 1η

=HQ calor transferido da fonte quente [ ]J ;

=CQ calor transferido da fonte fria [ ]J ;

H

C

revH

C

TT

QQ

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Lembre: Para um processo reversível:

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Ciclo térmico a vapor “fechado”.


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Componentes de uma Central Termoelétrica a vapor.Caldeira ou gerador de vapor:


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é um conjunto de componentes que tem a função de transformar a água em vapor superaquecido.

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Componentes de uma Central Termoelétrica a vapor.Caldeira ou gerador de vapor, constituída por:

FornalhaTamborBombas de circulaçãoSuperaquecedorReaquecedorEconomizadorPré-aquecedores de arQueimadores


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Caldeira ou gerador de vapor:Fornalha: tem a função de fornecer uma barreira física para o

processo de combustão. As paredes são formadas por tubos cheios de água, conforme ilustra a figura, ou por muros de água. Estas em seu interior absorvem, através da radiação, o calor gerado pela combustão gerando uma mistura de água e vapor. Esta mistura de água e vapor circula por meio convencional, ou devido à presença de bombas de circulação.


Paredes d’água da fornalha.

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Caldeira ou gerador de vapor:Tambor: é um recipiente que contém a interface entre água e vapor

na caldeira. É um ponto conveniente para a adição de substâncias químicas e a remoção de sólidos dissolvidos no sistema de água de admissão e vapor.

O tambor também serve de reservatório para o vapor. Isto é devido à necessidade da turbina requerer maior quantidade de vapor quando ocorre algum tipo de perturbação.


Vista parcial do tambor.

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Caldeira ou gerador de vapor:Bombas de Circulação: forçam a circulação da mistura de água e

vapor através das paredes de água da fornalha. As caldeiras podem ser projetadas com circulação natural ou podem ter circulação forçada. O uso de circulação forçada permite o uso de diâmetros menores de tubos nas paredes da caldeira.

Superaquecedor: São superfícies absorvedoras de calor que têm a finalidade de elevar a temperatura de vapor acima do seu ponto de saturação, fornecendo-o para o primeiro estágio da turbina.

As temperaturas podem variar de 400ºC do aço-carbono para 700ºC da liga de aço.


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Caldeira ou gerador de vapor:Reaquecedor: É uma superfície de transferência de calor utilizada

para aumentar a temperatura do fluxo de vapor que foi utilizado para mover a turbina de alta pressão (ou turbina de extra alta pressão, dependendo da configuração);

Economizador: Serve para reaproveitar a energia que sobrou dos processos de transferência de calor (superaquecedor, reaquecedor).. Esta energia é utilizada para minimizar a diferença entre a temperatura de saturação e a temperatura da água de alimentação, aquecendo a última.


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Caldeira ou gerador de vapor:Pré-aquecedores de ar: Os gases de exaustão, mesmo após

passarem por todo o processo, ainda contêm uma quantidade significativa de calor. A função do pré-aquecedor é de aumentar a temperatura do comburente e retirar toda a umidade possível para que ocorra um acréscimo na eficiência do processo.

Queimadores: São equipamentos que fazem a mistura ar/combustível para que a combustão ocorra com eficiência. São localizados dentro do forno e por isso devem ser constituídos de substâncias com alto grau de suportabilidade térmica.


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Componentes da turbina a vapor:


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Componentes da turbina a vapor:Válvulas:Estágios ou seções da turbina


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Válvulas: servem para interromper/controlar o fluxo de vapor


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Válvulas de parada: A função primária das válvulas de parada é de prover uma proteção de backup para a turbina a vapor quando não há atuação das válvulas de controle. A energia contida no vapor principal pode rapidamente causar uma sobrevelocidade, acarretando problemas para a turbina.


A função secundária das válvulas de parada é de prover o controledo vapor estrangulado durante a partida.

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Válvulas principais de controle do vapor: A função primária das válvulas de controle é de regular o fluxo de vapor para a turbina e assim controlar a potência gerada .


As válvulas de controle são responsáveis pelo desligamento primário do vapor na turbina quando ocorrem perturbações.

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Válvulas de interceptação e válvulas de parada do vapor reaquecido: As válvulas de parada do vapor reaquecido oferecem proteção de backup para a turbina a vapor no caso de um distúrbio da rede e falha da válvula de interceptação.


A válvula de interceptação controla a velocidade durante grandes variações de carga e desligamentos, deste modo protege a turbina da sobrevelocidade destrutiva.

Também podem ser utilizadas para aumentar a margem de estabilidade transitória do sistema(Fast Valving).

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Estágios ou seções das turbinas:


Estágios de:Alta pressão;Pressão intermediária;Baixa pressão.Abordagem na próxima

aula.

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