módulo i - fundamentos da geração termelétrica (2008-08-07)

8/3/2019 Módulo I - Fundamentos da Geração Termelétrica (2008-08-07)

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Módulo I – Fundamentos da Geração Termelétrica

Departamento de Engenharia 1 de 36

MÓDULO I

FUNDAMENTOS DA

GERAÇÃO TERMELÉTRICA





ÍNDICE

1. Introdução .................. ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... .....................3 1.1. O Sistema Internacional de Unidades (SI)......................................................................................................................................3

2. Definições e Conceitos Básicos............................................................................................................................................................4 2.1. Trabalho.........................................................................................................................................................................................4 2.2. Energia .................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... .................4 2.3. Massa............................................................................................................................................................................................4 2.4. Comprimento ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... .......5 2.5. Tempo ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... .................5 2.6. Força ................... ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... .....................5 2.7. Volume Específico ..................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... .....................6 2.8. Densidade......................................................................................................................................................................................6 2.9. Temperatura ................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..........6 2.10. Pressão........................................................................................................................................................................................8

2.10.1. Pressão Atmosférica ................... ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........10 2.10.2. Pressão Relativa ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ............10

2.10.3. Pressão Absoluta ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ............10 3. As Leis da Termodinâmica ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ............11

3.1. Primeira Lei da Termodinâmica....................................................................................................................................................12 3.2. Segunda Lei da Termodinâmica...................................................................................................................................................13

3.2.2. O que é Entropia? ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ............14 3.2.3. O que é Entalpia?..................................................................................................................................................................15

3.3. Terceira Lei da Termodinâmica....................................................................................................................................................16 3.4. Lei Zero da Termodinâmica ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... .....16 3.5. Temperatura de Saturação .................. ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... ........16 3.6. Mudanças de Estado Físico.........................................................................................................................................................17

4. Ciclos Térmicos..................................................................................................................................................................................22 4.1. O Ciclo Otto (Motor de Combustão Interna) ...................... ..................... ..................... ..................... ...................... ..................... .22 4.2. O Ciclo Diesel (Motor Diesel) ................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... .....22 4.3. Ciclo Brayton................................................................................................................................................................................24 4.4. Ciclo Rankine...............................................................................................................................................................................26

5. O Gás Natural ................... ...................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ............29

6. Turbina a Gás.....................................................................................................................................................................................32 6.1. Princípio de Funcionamento.........................................................................................................................................................32





1. I NTRODUÇÃO

O estudo, a compreensão e, eventualmente, a operação de uma planta de ciclocombinado, exigem um conhecimento prévio e sólido sobre os conceitos, asfuncionalidades e os equipamentos empregados na área industrial. Este módulo destina-se a fornecer uma visão geral sobre os conceitos básicos relacionados às característicastécnicas existentes em plantas de ciclo combinado.

1.1. O S ISTEMA I NTERNACIONAL DE U NIDADES (SI) O Sistema Internacional de Unidades (sigla SI) é um conjunto de definições adotado emquase todo o mundo moderno cujo objetivo é a uniformizar e facilitar as medições de

grandezas físicas.Existem sete unidades básicas do SI, descritas na tabela 1. A partir delas, podem-sederivar todas as outras unidades existentes.

Tabela 1 – Unidades básicas do SI

Grandeza Unidade Símbolo Comprimento metro m

Massa quilograma kg Tempo segundo s

Corrente eléctrica ampère A Temperatura kelvin K

Quantidade de substância mole mol Intensidade luminosa candela cd

Todas as grandezas físicas possuem unidades que podem ser derivadas das unidadesbásicas do SI. Exemplos de unidades derivadas são as unidades de volume, força,pressão, energia, indutância, etc.

O conceito de grandeza é fundamental para se efetuar qualquer medição. Grandeza podeser definida, resumidamente, como sendo o atributo físico de um corpo, podendo serqualitativamente distinguida e quantitativamente determinada.

A altura de uma lata de refrigerante, por exemplo, é um dos atributos desse corpo,definido pela grandeza comprimento, que é qualitativamente diferente de outros atributos(massa, por exemplo) e quantitativamente determinável (pode ser expresso por umnúmero). Para saber a altura da lata é preciso adotar um comprimento definido para serusado como unidade. O comprimento definido como unidade de medida pelo SI é o metro,seus múltiplos e submúltiplos.

Os prefixos do SI permitem escrever os múltiplos e submúltiplos sem o uso da notaçãocientífica, de maneira mais clara para quem trabalha em uma determinada faixa devalores. Os prefixos estão mostrados na tabela 2.





Tabela 2 – Prefixos do SI

Fator Prefixo Símbolo

101 deca Da

102

hecto H

103

quilo K

106

mega M

109

giga G

1012

tera T

1015

peta P

1018

exa E

1021

zetta Z

1024 yotta Y

Fator Prefixo Símbolo

10-1 deci d

10-2

centi c

10-3

mili m

10-6

micro µ

10-9

nano n

10-12

pico p

10-15

femto f

10-18

atto a

10-21

zepto z

10-24 yocto y

2. D EFINIÇÕES E C ONCEITOS B ÁSICOS

2.1. T RABALHO Trabalho e energia são grandezas da mesma espécie, mas conceitualmente diferentes.

Trabalho é definido como o produto da força pelo deslocamento na sua direção. Exemplo:

se você levantou um corpo de peso igual a 10 Newtons por uma altura de 2 metros, otrabalho executado nessa tarefa foi 10 x 2 = 20 joules.

2.2. E NERGIA É a capacidade de produzir trabalho. Pode ser imaginada como a moeda de troca para otrabalho. No exemplo anterior, para produzir os 20 joules de trabalho, o seu organismogastou 20 joules de energia. Naturalmente, a energia acumulada no seu organismo émuito maior. Mas, desse valor acumulado, 20 joules foram gastos no mencionadotrabalho. Assim, podemos dizer que a execução de um certo trabalho sempre implica umavariação da energia de alguma coisa.

2.3. M ASSA Veja que a massa e o peso de um objeto são duas coisas muito diferentes, mesmo queseja comum confundi-los. Peso (força) depende de onde estamos, ou seja, da magnitudelocal da aceleração causada pela força da gravidade. Seu peso na Lua éaproximadamente seis vezes menor que na Terra, ainda que sua massa seja idêntica naTerra ou na Lua. Massa (m ) é uma constante, definida em quilogramas (kg ) e é definidacomo a massa de um certo cilindro de uma liga de platina-irídio guardado em Paris.





2.4. C OMPRIMENTO

O comprimento é medido em metros (m ). O metro é o comprimento do trajeto percorrido

pela luz no vácuo, durante um intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo.

2.5. T EMPO

O tempo é medido em segundos (s ). O segundo é definido como a duração de9.192.631.770 ciclos da radiação associada a uma transição especificada do átomo deCésio.

Tabela 1 – Unidades para Massa, Comprimento, Tempo e Força

quantidade unidade símbolo unidade símbolo

massa quilograma kg libra-massa lbcomprimento metro m pé ft

tempo segundo s segundo símboloforça newton N libra-força lbf

InglêsSI

2.6. F ORÇA

A unidade no SI para a força é o Newton (N), e a 2ª lei de Newton diz que a força é igualmassa vezes a aceleração.

amF ⋅=

O Newton é a força necessária para acelerar uma massa de 1 quilograma a uma taxa de1 metro por segundo por segundo.

( ) ( ) 22 / 1 / 111 smkgsmkg N ⋅=⋅=

Exemplo:

Determinar o peso em Newtons de um objeto cuja massa é de 1000 kg, em um local na superfície da terraonde a aceleração devida a gravidade é igual a um valor definido como 9,80665 m/s 2.

2

2

/ 65,90806

/ 80665,9)1000(

smkgF

smkgF

amF

⋅=

⋅=

⋅=

Exercício:

Determinar o peso em Newtons de um objeto cuja massa é de 1000 lb, em um local na superfície da terraonde a aceleração devida a gravidade é igual a um valor definido como 32,0 ft/s 2.





2.7. V OLUME E SPECÍFICO É o volume de 1 kg de massa de um corpo. Se o corpo tem m kg e V m3, então o volume

específico v = V/M m

3

/kg .O volume específico ( ) é definido como o volume por unidade de massa.

M

V =ν

ρ ν

1=

v - volume específico.V - volume; M - massa.

2.8. D

ENSIDADE A densidade ou massa específica () de uma substância é definida como a massa por

unidade de volume, portanto o inverso do volume específico.

vV

M 1=⇔= ρ ρ

ρ - densidade;V - volume; M - massa.

2.9. T EMPERATURA Nenhuma escala de temperatura foi universalmente aceite até cerca de 1714, quandoGabriel Fahrenheit, um fabricante holandês de instrumentos de precisão, construiu osprimeiros termômetros de mercúrio precisos e repetitivos. Fahrenheit fixou o ponto inferior(o “zero”) da sua escala de temperaturas à custa de uma mistura de gelo e de sal; estaera a temperatura mais baixa que ele podia reproduzir, e atribuiu lhe o valor de “32 graus”.Para o extremo superior da sua escala, escolheu a temperatura normal do corpo humano,designando-a por “96 graus”. Por que 96 e não 100 graus?

Outras escalas anteriores haviam sido divididas em 12 partes; Fahrenheit, aparentementepara obter uma maior resolução, dividiu a sua escala em 24, depois em 48 e por fim em

96 partes. A escala de Fahrenheit ganhou grande popularidade, principalmente devido àrepetibilidade e à qualidade de construção dos termômetros por si produzidos.

Cerca de 1742, o sueco Anders Celsius propôs que o ponto de fusão do gelo e o ponto deebulição da água fossem adotados para definir uma escala de temperaturas. Celsiusescolheu os “zero graus” como sendo o ponto de fusão da água (início do congelamento),atribuindo “100 graus” ao ponto de ebulição da água (início da fervura). Assim nasceuescala “centígrada” (que significa literalmente “dividida em cem graus”). Em 1948 o nomedesta escala viria a ser oficialmente alterado para “escala Celsius”.

No início dos anos 1800 William Thomson (que viria mais tarde a receber o título de Lord Kelvin) desenvolveu uma escala termodinâmica universal baseada no coeficiente de

expansão de um gás ideal. Kelvin estabeleceu o conceito de “zero absoluto” e a suaescala veio a tornar-se a base da moderna termometria.





Hoje o Sistema Internacional tem como unidade padrão o Kelvin , o qual se encontraassim definido:

“O kelvin, unidade de temperatura termodinâmica, é a fração 1/273,15 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água ”.

Entende-se por “ponto triplo da água” a temperatura à qual a água coexiste nos estadossólido, líquido e gasoso.

Para temperatura existe o emprego de duas escalas mais comumente empregadas no diaa dia, a Celsius e a Fahrenheit.

Existem diferentes escalas de temperatura. Abaixo é apresentada a equivalência dealgumas escalas de temperatura, o que muito empregado em laboratório para efeito deestudos. Este estudo não tem o objetivo de mostrar a aplicabilidade das regras deconversão de temperatura.

Figura 1 – Escalas de temperatura

Na figura 1, 760 mmHg significa que esta sendo considerado a pressão de 1 atm paraanálise entre os sistemas de medição de temperatura.

As escalas Celsius e Fahrenheit são escalas relativas, ou seja, foram obtidas a partir devalores assumidos para as referências dos pontos fixos de congelamento e vaporizaçãoda água (a 1 atm).

As escalas Kelvin e Rankine são escalas absolutas, ou seja, são referenciadas ao zeroabsoluto termodinâmico, onde se atribuiu o valor zero para a temperatura onde se supõeser o estado de mínima energia interna possível de se atingir dentro de uma molécula.

Para fazer a conversão de uma escala de temperatura em outra escala de temperaturausamos o método de interpolação linear. Para isto usamos como referência astemperaturas de congelamento e de vaporização da água.

1 atm





Exemplo:

Na figura 2 deseja-se fazer a conversão de 80 ºC para a escala Fahrenheit.

F F

F F x

C C

C C

º32º212

º32º

º0º100

º0º80

−

−=

−

−

180

32

100

80 −=

x

801803200100 ×=− x

320014400100 += x

17600100 = x

100

17600= x

F x º0,176=

Figura 2 – Conversão de temperatura

2.10. P RESSÃO A atmosfera terrestre é composta por vários gases, que exercem uma pressão sobre asuperfície da Terra. Essa pressão, denominada pressão atmosférica, depende da altitudedo local, pois à medida que nos afastamos da superfície do planeta, o ar se torna cadavez mais rarefeito, e, portanto, exercendo uma pressão cada vez menor.

O físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) realizou uma experiência para

determinar a pressão atmosférica ao nível do mar. Ele usou um tubo de aproximadamente1,0 m de comprimento, cheio de mercúrio (Hg) e com a extremidade tampada. Depois,

Para conversão da escala Celsius em escalaFahrenheit:

328,1 += C F

Para conversão da escala Fahrenheit em escalaCelsius:

( )9

532 ⋅−= F C





colocou o tubo, em pé e com a boca tampada para baixo, dentro de um recipiente quetambém continha mercúrio. Torricelli observou que, após destampar o tubo, o nível domercúrio desceu e estabilizou-se na posição correspondente a 76 cm, restando o vácuo

na parte vazia do tubo.

Figura 3 – Experiência de Torricelli, realizada em 1643

Na figura, as pressões nos pontos A e B são iguais (pontos na mesma horizontal e nomesmo líquido). A pressão no ponto A corresponde à pressão da coluna de mercúrio

dentro do tubo, e a pressão no ponto B corresponde à pressão atmosférica ao nível domar:

)( Hgcoluna ATM B B PPPP ==

Como a coluna de mercúrio que equilibra a pressão atmosférica é de 76 cm, dizemos quea pressão atmosférica ao nível do mar equivale à pressão de uma coluna de mercúrio de76 cm. Lembrando que a pressão de uma coluna de líquido é dada por P = dgh , onde:

d = densidade;

g = gravidade;h = altura.

Temos no SI:

2

5 111001,176076cm

kgf atmPa xmmHgcmHgP ATM ≅≅===

A pressão (P) é definida como sendo a relação entre uma força e a área onde está sendoaplicada esta força:

S

F P =

vácuo





P – pressão, expressa em unidades de força por unidade de área.F – Força total em qualquer unidade.

S – Área em qualquer unidade.

MPakPaPa pol

libbar

cm

kgf 1,0100000.10022,1411

22==≅≅≅

Nos cálculos termodinâmicos usa-se a pressão absoluta. A maioria dos manômetros depressão e vácuo mostra a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica,diferença esta denominada de pressão manométrica ou pressão relativa.

relatmabs PPP +=

P abs – pressão absoluta.P atm – pressão atmosférica.P rel – pressão relativa.

2.10.1. P RESSÃO ATMOSFÉRICA

É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do maresta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.

2.10.2. P RESSÃO R ELATIVA

É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade dereferência.

2.10.3. P RESSÃO ABSOLUTA

É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir dovácuo absoluto.

A figura 4 ilustra graficamente as pressões definidas acima. A pressão atmosférica padrãoé definida como a pressão produzida por uma coluna de mercúrio exatamente igual a760mm de altura.

A figura 5 mostra o efeito da elevação da temperatura em um ambiente confinado comuma determinada quantidade de ar. Com o aumento da temperatura provocado pelo fogono fundo do recipiente, a uma expansão do ar, que provoca o deslocamento dos pesossobre a tampa do recipiente devido o efeito do aumento da pressão.

As unidades mais comuns empregadas para pressão são:

• Torr ou mmHg ;• inHg;• mmHg;• kgf/cm2;•

psi ou lb/in

2

;• atm;





• MPa;• N/mm2 ;• bar.

Figura 4 – Esquema de variação da pressão

Vácuo é a pressão negativa abaixo da pressão atmosférica. Dentre as formas de geraçãode vácuo, as mais comuns são a utilização do gerador e da bomba de vácuo. Analisandoo diagrama da figura 4, veremos que o vácuo máximo a ser atingido é de –1atm (ou ainda –760mmHg ou –0,1MPa , sempre relacionado à pressão atmosférica) . Portanto, este é oponto máximo que pode ser atingido por qualquer um dos equipamentos de geração devácuo.

Figura 5 – Efeito da variação da temperatura no volume e pressão

3. AS LEIS DA T ERMODINÂMICA As variações das propriedades termodinâmicas durante a operação das máquinastérmicas são as transformações termodinâmicas, conhecidas como:

• Adiabático – conhecido também como isoentrópico ocorre quando não a troca decalor, a entropia se mantém constante.• Isotérmico – é um processo que ocorre com a temperatura constante.•

Isobárico – quando a pressão se mantém constante.• Politrópico – todas as propriedades envolvidas na transformação se modificam.

Pressão atmosférica

atm1=2cmkgf

1

Linha de pressão nula

100% vácuo

Pressão relativa positiva maiorque a pressão atmosférica

Pressão relativanegativa menor que apressão atmosférica

P

r e s s ã o A b s o l u t a

Pressão relativa positivalida no manômetro





3.1. P RIMEIRA LEI DA T ERMODINÂMICA É a lei da conservação de energia. Ao fazer medidas de energia, os físicos consideram

uma determinada região e observam todas as variações de energia nessa região. Porexemplo, essa dita região pode ser sua casa. Usa-se o termo técnico dizendo que suacasa é o sistema . Tudo que está fora de sua casa são os arredores . O conjunto de suacasa e o que está fora (sistema + arredores ), será chamado, tecnicamente, de universo ,com u minúsculo. Toda energia trocada entre o sistema e seus arredores deve seconservar. Isto é, qualquer quantidade de energia que passa de uma parte para a outra,deve ser usada, transformada ou devolvida, sem ganhos nem perdas.

W Qu −=∆

Assim pode se dizer que a variação da energia (u ) é igual ao calor (Q ) menos o trabalho

(W ).

Figura 6 – Variação da energia interna com acréscimo de calor gerando trabalho

Como exemplo, a figura acima na parte (a) tem uma massa de um gás no interior de umcilindro com êmbolo. O peso em cima comprime o gás e supõe-se uma situação deequilíbrio. Nessa condição, o sistema tem uma determinada energia interna , quedenominamos U1.

Considerando que não há troca de calor com outros meios, se adicionamos umaquantidade de calor Q ao gás, ele se expande e o pistão eleva o peso por uma certaaltura, isto é, executa um determinado trabalho W. Ver parte (b) da figura. Nessa situação,

a energia interna do sistema é U2.

W QU U u −=−=∆ 12

Ou seja, a variação da energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calortransferido para o sistema e o trabalho executado pelo sistema.

Em outras palavras pode-se dizer que a energia não pode ser criada nem podedesaparecer. Pode ser apenas transformada em outra modalidade.

Na figura 6, quem deve ser maior, o trabalho ou o calor?





3.2. S EGUNDA LEI DA T ERMODINÂMICA Segundo o enunciado do Rudolph Clausius, diz assim a segunda lei:

"É impossível haver transferência espontânea de calor de um objeto frio para outro mais quente ."

O enunciado de Kelvin Planck é descrito a seguinte forma:

"É impossível para qualquer sistema operar em um ciclo termodinâmico e fornecer uma quantidade líquida de trabalho para sua vizinhança enquanto recebe energia por

transferência de calor de um único reservatório térmico ."

Kelvin Planck diz que há necessidade de se ter um reservatório quente e um reservatório

frio para que se possa ter a geração de trabalho a partir da termodinâmica.A segunda lei firma os limites naturais da possibilidade de se converter calor em trabalho.

Para entender melhor esta Segunda lei descreve se abaixo alguns experimentos simples.

Experimento 1) Numa caixa, como mostra a figura 7, de um lado há um gás e do outrohá o vácuo. Ao se retirar à separação, vê se o gás espalhar e ocupar todo o volume dacaixa. Com a partição na mão, espera-se que o gás volte a concentrar só de um lado,como no início. Quando isso acontecer, será reposta a partição de forma a restabelecer asituação original. Este fato nunca ocorrerá espontaneamente devido à segunda lei datermodinâmica.

Figura 7 – Processo irreversível naturalmente

Experimento 2) Têm-se duas canecas de alumínio, uma com 1 litro de água a 80 oC eoutra, com 1 litro de água a 20oC, como se vê na figura 8. Encostando uma na outra, a

água quente esfria e a água fria esquenta até que ambas ficam na temperatura média de50oC. O inverso pode ocorrer espontaneamente? O calor, espontaneamente, pode passarde uma caneca para a outra, restabelecendo a situação original?

Figura 8 – Equilíbrio de temperatura entre dois corpos

gás

vácuo





Veja, de novo, o caso das duas canecas com água. Se fosse possível medir a entropiadesse sistema se constataria que a entropia das canecas separadas, com temperaturasdesiguais, é menor que a entropia delas quando juntas, com a mesma temperatura. Logo,

um processo natural pode ocorrer no sentido de igualar as temperaturas, mas nunca nosentido inverso. Quando ocorre variação na entropia, o processo é irreversível.

Portanto, para saber se um processo pode ocorrer naturalmente (espontaneamente), ounão, tem se os seguintes passos:

1) Mede-se, de algum modo, a Entropia Total do objeto e de seus arredores (isto é, aentropia do "universo").

2) Deixa-se que o processo ocorra (pelo menos, mentalmente) e observa-se o queacontece com a Entropia Total durante o processo.

3) Se a Entropia Total aumentar, o processo é natural, permitido pela Segunda Lei da Termodinâmica e pode ocorrer espontaneamente. Se a Entropia Total quiser diminuir, o processo não é natural e necessita de um agente externo para que ocorra .

Veja o projeto para uma hipotética fábrica de gelo. Para não ter consumo de energiaelétrica, pretende se aproveitar o calor que sai da geladeira para produzir vapor; essevapor é usado para mover uma turbina; a turbina aciona um gerador elétrico que,finalmente, produz a corrente elétrica necessária para manter a geladeira funcionando.Calculando cuidadosamente todas as trocas de energia nas várias partes do projeto, podese observar que há um balanço perfeito. A energia é conservada e o gelo foi produzido.

Figura 9 – Princípio hipotético de conservação de energia

Este projeto não condiz com a segunda lei da termodinâmica, apesar de estar de acordocom a primeira lei. Mas nos cálculos efetuados não foram consideradas as perdasirreversíveis inerentes ao processo, como exemplo a perda de calor para o meio externo.

3.2.2. O QUE É E NTROPIA?

A entropia pode ser definida como uma quantidade aditiva. Isso significa o seguinte. Seum sistema A tem entropia S A e um sistema B tem entropia S B , um sistema C, compostodos sistemas A e B, deve ter entropia S C = S A + S B .





Quando se conduz um carro, a energia armazenada na gasolina é convertida em calor porcombustão e, depois, em energia mecânica, no motor. A energia mecânica, assimproduzida, dá origem ao movimento controlado e ordenado do carro. Mas parte dessa

energia foi irrevogavelmente dissipada sob a forma de calor, na estrada, como resultadodo atrito dos pneus, no aquecimento do ar por meio da exaustão de gases e para vencera resistência do vento. Perdemos essa energia para sempre.

A extensão do estado de desordem em que esta energia se encontra é medida pelaentropia . Quanto maior é o estado de desorganização, tanto maior é a entropia, quantomenos extensa for à desorganização, menor é a entropia. De fato, como estabelece atermodinâmica, à uma temperatura de zero absoluto quando todas as vibrações atômicase movimento param, a entropia é nula, porque não há movimento desordenado.

Esta propriedade termodinâmica representa uma medida da desordem molecular dasubstância ou a medida da probabilidade de ocorrência de um dado estado da substância.

Com relação à entropia pode-se afirmar:• A sua variação está associada à transferência de calor e/ou às irreversibilidades

internas do processo quando estão presentes;• A entropia de um sistema é a soma das entropias de seus componentes.

3.2.3. O QUE É E NTALPIA?

É representada pela letra H ; é a propriedade termodinâmica de um sistema definida deforma que a mudança de entalpia é igual ao calor ganho ou recebido pelo sistema quandoo processo que a causa ocorre à pressão constante.

Além da energia interna U , todo o sistema possui uma energia elástica, PV , resultante dovolume V que ocupa sob a pressão P . A energia PV pode ser considerada como otrabalho necessário para gerar um volume V sob uma pressão P .

As duas quantidades U e PV encontram-se freqüentemente associadas nas equaçõestermodinâmicas. Por isso, Gibbs (1875) introduziu uma nova função de estadodenominada entalpia (do grego en, em,+ thalpein, quente), definida como a soma destasduas quantidades

PV U H +=

H – Entalpia;

U – Energia interna;P – Pressão;V – Volume.

Embora seja uma propriedade composta, a entalpia mostrou-se mais importante do que aenergia interna, principalmente no estudo dos fenômenos que se realizam sob pressãoconstante.

A entalpia é uma propriedade extensiva, pois U e PV também o são. Em qualquertransformação, o acréscimo de entalpia de um sistema será:

)(PV U H ∆+∆=∆





3.3. T ERCEIRA LEI DA T ERMODINÂMICA Propõe que na temperatura de ZERO ABSOLUTO, 0o Kelvin, que equivale à cerca de

–273,15°

Centígrados no sistema Celsius, o estado de agitação molecular, a Entropia, éconsiderado como sendo Zero. Esse princípio é útil para estabelecer fórmulas quepermitam cálculos termodinâmicos, definindo um parâmetro que permite a medição daEntropia de um sistema. Não será abordado neste curso. Para maiores esclarecimentos,veja a figura 1 acima.

3.4. LEI Z ERO DA T ERMODINÂMICA Diz que, quando dois corpos têm a mesma temperatura que um terceiro corpo, implicaque ambos tem a mesma temperatura, fenômeno denominado de equilíbrio térmico.Exemplo, quando se tem dois corpos, e um terceiro que é o termômetro, implica que, se o

primeiro corpo tem uma temperatura igual a do terceiro corpo (termômetro) e o segundocorpo tem uma temperatura igual a do terceiro corpo (termômetro), implica que os trêstem a mesma temperatura.

3.5. T EMPERATURA DE S ATURAÇÃO Temperatura na qual uma mudança de fase ocorre para uma dada pressão, ou seja,temperatura em que se dá a vaporização de um fluido (líquido) a uma determinadapressão chamada “pressão de saturação”. A figura 10 mostra a transformação da águaem vapor superaquecido.

(1) Líquido sub-resfriado: A água, a pressão de 1atm, vaporiza a 100ºC. Qualquertemperatura abaixo desta define o estado sub-resfriado, desde que ela permaneça noestado líquido.

Ex.: Água com pressão de 1 atm e uma temperatura de 30ºC se encontra no estadolíquido.

(2) Líquido saturado: Início da vaporização a uma determinada pressão. Água totalmenteno estado líquido, sendo que qualquer quantidade adicional de energia fornecidoprovocará mudança de fase.

Ex.: Água com a pressão de 1 atm e temperatura de 100ºC esta no estado líquido e

qualquer energia fornecida irá vaporizar a água.

(3) Vapor saturado úmido: Líquido + vapor, neste caso se tem a presença de duas fases.

Ex.: Líquido e vapor de água a pressão de 1 atm e temperatura de 100ºC com energiaacrescida para passar da fase de líquido para vapor.

(4) Vapor saturado: Final da vaporização com a mesma pressão em que se iniciou, nestafase se tem somente vapor.

Ex.: Vapor de água a pressão de 1atm e temperatura de 100ºC.

(5) Vapor superaquecido: Quando se aquece o vapor saturado acima de sua temperaturade vaporização, sem alterar a sua pressão, ocorre um aumento no volume.





Ex.: Vapor de água a pressão de 1 atm e temperatura de 120ºC.

Figura 10 – Etapas da transformação da água em vapor superaquecido

3.6. M UDANÇAS DE E STADO F ÍSICO Calor deve ser fornecido ou removido para a mudança de estado físico de umasubstância. Neste caso, a temperatura permanece constante. A figura 11 abaixo dá odiagrama aproximado para uma massa de 1 kg de água, sob pressão atmosférica normal,considerada constante, indicando os pontos de mudança de fase da água com a variaçãoda temperatura e o calor fornecido.

Entre A e B a água está no estado sólido e vale a relação no conceito de calor específico:Portanto, no intervalo AB não há mudança de estado físico e o fornecimento (ou retirada)de calor implica uma variação de temperatura. O calor trocado nessas condições écomumente denominado calor sensível

Figura 11 – Calor sensível e calor latente

Continuando o fornecimento de calor após o ponto B, o processo de fusão tem início e atemperatura se mantém constante até que toda a massa de gelo seja transformada em

líquido. A quantidade de calor por unidade de massa que funde a substância édenominada calor latente de fusão (Lf).

Líquido

Líquido

Líquido

Vapor Vapor SaturadoVapor

Superaquecido

Sólido

Líquido

Temperatura

Constante

Temperatura

Constante

Vapor





De C até D a água está líquida e vale a fórmula do calor específico. De forma similar aotrecho de fusão, de D até E a temperatura é constante, significando o fornecimento decalor para vaporizar a água. Essa quantidade de calor por unidade de massa é chamada

calor latente de vaporização (Lv).Na figura 12 tem-se que:

- Sobre a linha de fusão coexistem sólido e líquido.- Sobre a linha de sublimação coexistem sólido e vapor.- Sobre a linha de vaporização coexistem líquido e vapor.- Ponto triplo, condição de pressão e temperatura em que as três fases coexistemem equilíbrio. O ponto triplo da água é T = 0ºC e P = 0,00602 atm.

Na transição de líquido para vapor, a temperatura correspondente a cada pressão deacordo com a curva da figura 12 é denominada temperatura de saturação. Portanto, na

temperatura de saturação ocorre o efeito do calor latente. Para água sob pressão normal,temos temperatura de saturação de 100°C, que é a ebulição da água nessa condição.

A temperatura de saturação aumenta com a pressão, mas há um limite, denominadoponto crítico, acima do qual não há transição definida entre os dois estados.

As coordenadas do ponto crítico são, naturalmente, a pressão crítica e a temperaturacrítica. Acima da temperatura crítica, um gás não pode ser liquefeito apenas comaumento de pressão. É também necessária uma redução de temperatura.

Figura 12 – Gráfico Pressão ×××× Temperatura da água

Agora serão comentados os termos gás e vapor, é o mesmo no estado físico dasubstância e, muitas vezes, são empregados sem distinções. O termo vapor é em geralusado para o gás de uma substância que é líquida em condição normal de ambiente. Aágua é o exemplo comum. De forma mais técnica, vapor de água pode ser considerado ogás em temperatura inferior à crítica.

Vapor saturado é o vapor na temperatura de saturação. Portanto, as condições detemperatura e pressão devem estar em algum ponto da linha divisória líquido/vapor da

Figura 13.

Linha deFusão

Linha deSublimação

Linha deVaporização





Vapor superaquecido é o vapor com temperatura acima da temperatura de saturação,resultante do fornecimento de calor ao vapor saturado.

Em Termodinâmica, é comum o emprego do diagrama temperatura x entropia para oestudo das transições líquido / vapor. A Figura 13 dá um gráfico aproximado para a água.A linha 234 é uma linha típica de pressão constante (aproximadamente 10 bar). Linhaspara outros valores de pressão têm formato parecido, acima ou abaixo da anterior.

Se aquecemos uma determinada massa de água de 1 até 2 e, a partir desse ponto,mantemos a pressão constante de 10 bar, entre 2 e 3 temos a evaporação do líquido e atemperatura é constante conforme já visto. Assim, no sentido de 2 para 3, a quantidadede vapor saturado aumenta e a de líquido diminui. O parâmetro é massa de vapor emrelação à massa total e as curvas de constante mostram claramente a variação.

Em 3 temos apenas vapor saturado e, continuando o aquecimento com pressãoconstante, temos vapor superaquecido em um ponto genérico 4 da curva.

A linha verde é uma curva típica para volume específico constante.

Figura 13 – Diagrama Temperatura ×××× Entropia para a água

Vapor saturado - Diagrama temperatura x entalpia – Até este momento o tópico vaporfoi visto no diagrama temperatura x entropia para as transições líquido / vapor saturado evapor saturado / vapor superaquecido para a água.

Os mesmos processos podem ser vistos num diagrama temperatura x entalpia. A Figuraabaixo dá o gráfico aproximado para a água. Embora não sejam iguais, os aspectos deambos os diagramas guardam alguma semelhança entre si.





Figura 14 – Diagrama Temperatura ×××× Entalpia para a água

O parâmetro x é o mesmo visto no referido acima, a medida que a pressão é constante naregião onde a o vapor saturado, menor será a quantidade de água em estado líquido, atéatingir o valor de 100% de vapor saturado.

saturado)vapor(águatotalmassasaturadovapordemassa

+= x

Esse parâmetro pode ser entendido como um índice de qualidade do vapor. Para melhoresclarecer, faz-se a seguir alguns comentários sobre o uso do vapor saturado.

O vapor saturado é provavelmente o meio mais fácil de se obter aquecimento em largaescala. É facilmente produzido por caldeiras.

Por sua vez, caldeiras podem ser projetadas para usar o combustível mais convenienteou o mais disponível. A distribuição do vapor é tida como simples, usa basicamentetubulações. Por esses e outros fatores, é amplamente empregado na indústria.

Uma caldeira ideal produziria vapor saturado com x = 1 (100% vapor). Na prática,turbulências e formação de bolhas provocam o arraste de água. Naturalmente, a presençade água é prejudicial porque reduz a quantidade de vapor disponível para aquecimento.Uma instalação típica em bom estado deve produzir vapor com cerca de 5% de água, ouseja,

95,0≈ x

Voltando ao diagrama da Figura 14 acima, as linhas azuis são exemplos de linhas depressão constante. Será usado uma delas para analisar a formação do vapor.

Supõe se que o recipiente onde a água se encontra está na pressão da linha BCD. Se aágua inicialmente está no ponto A, o aquecimento eleva sua entalpia até o máximo





possível do líquido para aquela pressão (hB - hA). O ponto B marca o início davaporização, ou seja, é a temperatura de saturação da água para a pressão considerada.

Continuando o fornecimento de calor, a evaporação tem início e a temperatura se mantémconstante até o ponto C, onde toda a água terá sido transformada em vapor saturado. Adiferença (hC - hB) é a entalpia de vaporização da água. A continuação do aquecimento(CD) resulta em vapor superaquecido.

Notar que a expressão entalpia de vaporização equivale ao calor latente de vaporizaçãocomentado acima Mas o conceito de entalpia é mais abrangente e, por isso, o termo épreferível. De forma similar, a diferença de entalpia do aquecimento (hB - hA) equivale aocalor sensível.

Exemplo de aquecimento de fluido

A Figura 15 abaixo dá um exemplo bastante simplificado de aplicação do vapor de águasaturado (aquecimento de um fluido com trocador de calor). Na realidade, instalações devapor têm vários outros acessórios sobre os quais aqui não serão comentados.

O vapor sai da caldeira com uma pressão p e alimenta uma linha ou ramal principal. Umaválvula redutora diminui a pressão para p V e alimenta a serpentina do trocador. Nessacondição, o vapor tem uma temperatura T V e o fluxo de massa é q mV .

Ao passar pela serpentina o vapor troca calor com o fluido e se condensa. Um dispositivona saída, denominado purgador, evita a perda de vapor, permitindo somente a passagemdo condensado. Em geral, a água condensada é enviada a um reservatório próprio eretorna à caldeira por bombeamento.

Figura 15 – Exemplo de geração de vapor de água

No trocador, o fluido que se deseja aquecer entra com uma temperatura T E e sai com T S .Naturalmente, a vazão de massa q mF é a mesma em ambos os lados. É suposto que ofluido tem um calor específico médio c F entre essas temperaturas.

Neste exemplo simples, despreza-se quaisquer perdas de calor. Portanto, todo o calor

cedido pela condensação do vapor é usado para aquecer o fluido. Considera-se tambémque a vazão de massa do fluido q mF é constante.





4. C ICLOS T ÉRMICOS

4.1. O C ICLO O TTO (M OTOR DE C OMBUSTÃO I NTERNA )

Figura 16 – Quatro tempos de um motor Ciclo Otto

1 – Admissão: com a válvula de admissão aberta e a de escape fechada, a mistura devapor de combustível e ar entra no cilindro, denominado de 1º tempo.

2 – Compressão: com ambas as válvulas fechadas, a mistura é comprimida através domovimento de ascendente do pistão, chamado de 2º tempo.

3 – Combustão: a mistura explode através da ação de uma centelha (faísca) produzidapela vela, produzindo uma expansão dos gases que então empurram o pistão para baixo,produzindo trabalho útil, 3º tempo.

4 – Escape: com a válvula de admissão fechada e a de escape aberta, ocorre a exaustãodos gases resultantes da explosão, 4º tempo.

Este ciclo é aplicado a motores a gasolina, álcool, gás ou mistura de combustíveissimilares aos citados.

4.2. O C ICLO D IESEL (M OTOR D IESEL ) Motores de ciclo Diesel (ou simplesmente motores diesel) operam de forma similar (masnão igual) à dos motores de ciclo Otto conforme visto no tópico anterior.





Figura 17 – Princípio de funcionamento de um motor Ciclo Diesel

No passo 01 da figura 17, o pistão, em movimento descendente com a válvula de escape

fechada e a válvula de admissão aberta aspira ar, atingido o ponto morto inferior.No passo 12 há um processo de compressão do ar, as válvulas de admissão ecompressão estão fechadas.

No passo 23 o pistão está no ponto morto superior ou próximo dele e o combustível éinjetado de forma atomizada na massa de ar aquecido e comprimido pelo sistema deinjeção de combustível. Nessas condições ocorre a detonação do combustível semnecessidade de centelha, mas o processo se dá durante um pequeno intervalo de tempo.Os motores modernos já são contemplados com equipamentos eletrônicos que controlama injeção do combustível e melhora o rendimento do motor.

No passo 34 ocorre a expansão dos gases, o que gera o movimento e o trabalho útil queo motor fornece.No passo 41 ocorre a redução de pressão e troca de calor.

No passo 10 ocorre a exaustão dos gases, com a válvula de admissão fechada e aválvula de escape aberta.

No aspecto prático, podemos afirmar que, nos motores Otto, a ignição se dá por centelhae, nos motores Diesel, a ignição ocorre por compressão. Naturalmente, para issoacontecer, os motores Diesel têm taxas de compressão significativamente maiores e osmotores Otto taxa de compressão menores.

No motor Otto ocorre a explosão do combustível com a presença de centelha e no motor

Diesel ocorre a detonação do combustível.





Figura 18 – Pressão x volume ,Ciclo teórico Diesel

Deve-se notar que na transformação fase 12 há aumento na pressão e diminuição do

volume (compressão);Na fase 23 a pressão é considerada constante (isobárica) e há um aumento no volume(explosão);

Na fase 34 há uma redução na pressão e um aumento no volume (expansão);

Na fase 41 ocorre diminuição na pressão e aumento do volume (admissão).

No ciclo teórico da figura 18, pode se observar que os estados inicial e final do ciclo sãoos mesmos, assim considerando a 1º lei da termodinâmica, não há variação na energiainterna.

0=−=∆ wqU

Tabela 2 – Ciclo Otto ×××× Ciclo Diesel

Ciclos defuncionamento

Ciclo Otto(gasolina ou álcool)

Ciclo Diesel

1 - admissão aspiração da mistura ar e combustível aspiração e enchimento dos cilindros

apenas com ar

2 - compressão compressão da mistura numa taxa em

torno de 9:1 (gasolina) ou 12:1 (álcool) compressão do ar puro, numa taxa

acima de 20:1

3 - combustão ignição por centelha e explosão da

mistura injeção de óleo diesel e detonação pelo

calor da compressão, combustão à

medida em que é injetado

4 - escapamento saída dos gases de escapamento saída dos gases de escapamento

4.3. C ICLO B RAYTON O ciclo Brayton é o ciclo de funcionamento de uma turbina a gás. A figura 19 mostra ociclo Brayton de circuito aberto, que é utilizado na maioria das turbinas a gás.





Figura 19 – Ciclo Brayton

Entre 1 e 2 o ar é comprimido por um compressor tipo axial (processo adiabático ),tornando a pressão interna na turbina maior que a pressão externa. Ao passar peloqueimador ou câmara de combustão (de 2 a 3), o ar se expande devido ao fornecimentode calor pelo processo de combustão. Isso ocorre supostamente sob pressão constante(processo isobárico ) porque a forma construtiva da câmara oferece pouca resistência aofluxo, mas há um considerável aumento no volume dos gases. O ar aquecido pelacombustão movimenta a turbina (processo adiabático ) de 3 a 4. Saindo da turbina, o artroca calor com o ambiente (processo isobárico ).

O diagrama da Figura 19 não corresponde ao modo construtivo real. Normalmente hávários queimadores dispostos em círculo entre o compressor e a turbina. Este ciclotambém é conhecido como Ciclo de Joule .

Relembrando:

• Adiabático – conhecido também como isoentrópico, ocorre quando não há trocade calor, e a entropia se mantém constante.• Isotérmico – é um processo que ocorre com a temperatura constante.• Isobárico – quando a pressão se mantém constante.• Politrópico – todas as propriedades envolvidas na transformação se modificam.

Figura 20 – Pressão x volume específico para o Ciclo Brayton

Entre os pontos 2 e 3 temos uma expansão com pressão constante (isobárico). E arelação entre o calor fornecido e as temperaturas extremas deve ser:





)( 2323 T T cT cq p p −=∆=

Onde:q 23 , calor fornecido;c p , calor específico com pressão constante;T , temperatura nos pontos 2 e 3 respectivamente.

Entre 4 e 1 temos um processo também isobárico. E a relação é similar:

)( 4141 T T cT cq p p −=∆=

Onde:q 41, calor cedido;

c p , calor específico com pressão constante;T , temperatura nos pontos 1 e 4 respectivamente.

Para a determinação da eficiência, pode se usar a seguinte formula:

f

c

f q

q

q

w+== 1η

Onde:η , eficiência ou rendimento;

w , trabalho;q c e q f são respectivamente as quantidades de calor cedida e fornecida (q 41 e q 23 neste caso).

4.4. C ICLO R ANKINE Nos tópicos anteriores foram vistos ciclos termodinâmicos usuais para fornecer trabalho(Diesel, Brayton). Uma característica observada nesses ciclos é o contato direto dacombustão com o gás de operação (normalmente ar). Isso demanda o emprego decombustíveis nobres, no estado líquido ou gasoso, como gasolina, álcool, óleo diesel,querosene, gás natural.

Motores Otto, Diesel ou turbinas a gás não podem ser usados quando o calor éproveniente da queima de combustíveis sólidos ou residuais, como gás natural, carvão,lenha, bagaço, óleo pesado, etc.

O vapor de água é uma alternativa: o combustível é queimado e um recuperador de calorproduz vapor que, por sua vez pode ser usado como trabalho.

Vapor pode ser utilizado no caso especial da fonte de calor ser uma reação de fissãoatômica, ou seja, em usinas nucleares.





Figura 21 – Esquema simplificado de uma instalação para produzir trabalho a partir do vapor

A Figura 21 dá o esquema simplificado de uma instalação para gerar trabalho a partir dovapor: na maioria das vezes é usada uma máquina tipo turbina, acionada pelo vaporproduzido pela caldeira (ou gerador de vapor ).

O condensador é um trocador de calor. Na maioria dos casos práticos, é usado umcircuito separado de água com torre de resfriamento. Uma vez condensado o vapor, aágua retorna para a caldeira através de uma bomba e o ciclo se completa.

Neste caso, pode se dizer que o recuperador de calor é um circuito fechado e a torre deresfriamento é um circuito aberto.

Se a água (ou qualquer outro líquido) é evaporada ou condensada, o processo ocorre deforma isotérmica (temperatura constante). A expansão em uma turbina ou a compressãoem uma bomba são transformações aproximadamente adiabáticas (sem troca de calor).

Considerando isso e a intenção da maior eficiência possível, poderíamos então imaginarum ciclo de Carnot para o vapor.

No diagrama temperatura x entropia do vapor de água, um hipotético ciclo de Carnot seriaalgo parecido com o diagrama da Figura 22.

Figura 22 – Diagrama temperatura x entropia para o Ciclo de Carnot

Considerando T Q = T 2 = T 3 (temperatura da fonte quente) e T F = T 4 = T 1 (temperatura dafonte fria), teríamos a eficiência já calculada: = 1 - T F / T Q . Entretanto o ciclo de Carnot é





uma situação ideal. Processos reais não são isotérmicos (temperatura constante) ouadiabáticos perfeitos (sem troca de calor). O trecho da turbina (34) teria água e vapor, oque reduziria sua vida útil e eficiência mecânica. Seria também difícil uma bomba (trecho

12) para operar com água e vapor ao mesmo tempo. Devido a diferenças relativamentepequenas de temperatura na região de vapor saturado, a eficiência não seria dasmelhores.

Para evitar o dissabor de se ter uma bomba com a possibilidade de trabalhar com líquidoe vapor, foi idealizado uma modificação no Ciclo de Rankine . O diagrama da Figura 23 éa representação aproximada do ciclo Rankine simples.

Figura 23 – Temperatura x entropia para o Ciclo de Rankine simples

A modificação básica em relação ao ciclo ideal de Carnot é o deslocamento do final da

condensação (ponto 1) para a linha de equilíbrio água / vapor.Nessa hipótese, a bomba trabalha apenas com líquido, evitando os inconvenientes (ouimpossibilidade prática) do trabalho com água e vapor.

Entretanto, a turbina continua trabalhando com mistura de água e vapor, o que é sempreuma limitação prática e nunca se deve permitir que ocorra na prática.

Um meio mais viável de se melhorar o ciclo é a instalação de um dispositivo parasuperaquecimento na saída da caldeira. Então, o diagrama de fluxo da Figura 21 émodificado para o diagrama da Figura 24.

Figura 24 – Esquema simplificado de caldeira com superaquecedor





Com a modificação realizada na Figura 24, o diagrama temperatura x entropia assume aforma indicada na Figura 25 abaixo.

Figura 25 – Temperatura x entropia para o Ciclo de Rankine

Com vapor superaquecido na turbina, o ponto 4 foi deslocado para a direita na Figura 25,aproximando-se da linha de equilíbrio vapor saturado / vapor superaquecido e reduzindo oteor de água que chega na turbina, melhorando a eficiência e minimizando danosmecânicos pela presença de água no vapor.

Com base na figura 24 se pode estabelecer relações com entalpias nos trechos do ciclo.

Calor fornecido pela caldeira é igual a entalpia no ponto 3 menos a entalpia doponto 2: q 23 = h 3 - h 2 ;

Calor cedido pelo condensador igual a entalpia no ponto 1 menos a entalpia doponto 4: q 41 = h 1 - h 4 ;

Trabalho fornecido pela turbina (considerada ideal) é igual a entalpia no ponto 3menos a entalpia do ponto 4: w 34 = h 3 - h 4 ;

Trabalho consumido pela bomba (suposta ideal) é igual a entalpia no ponto 1menos a entalpia do ponto 2: w 12 = h 1 - h 2 . Lembrando que neste ponto se tem oconsumo de trabalho e que o valor do mesmo será negativo.

Eficiência do ciclo: = (w 34 + (- w 12 )) / q 23 = [ (h 3 - h 4 ) + (h 1 - h 2 ) ] / (h 3 - h 2 )

5. O G ÁS N ATURAL O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos de origem fóssil que se encontra nosubsolo e procede da decomposição de matéria orgânica retirada entre as camadasrochosas.

Sua origem fóssil provém da decomposição vegetal e animal há milhares de anos. Esteprocesso de erosão levou remanescentes biológicos por meio de rios e riachos emdireção às costas, onde foram depositados com lama e sedimentos. Através do tempoforam cobertos por mais e mais sedimentos e, gradualmente, comprimidos pelo peso dascamadas dos mesmos.

Com a evolução, o material que continha, originalmente, remanescentes biológicos,tornou-se rocha sedimentar. Hoje, essas rochas sedimentares, arenitos, xistos e dolomita





são os locais onde geralmente são encontrados os depósitos de petróleo e gás natural.Muitas vezes, eles ficam retidos entre as camadas de rocha que foram formadas sobre asrochas sedimentares que as produziram.

Como o gás natural é o combustível fóssil de queima mais limpa, ele ajuda namanutenção da qualidade do ar e da água, especialmente quando usado em substituiçãoa outras fontes de energia mais poluentes. O gás natural é um produto incolor e inodoro,não tóxico e mais leve que o ar.

Uma vez extraído do subsolo, deve ser transportado às zonas de consumo, que podemestar próximo ou a quilômetros de distância. O transporte de suas jazidas até as áreas deconsumo se realiza por meio de tubos de aço de grande diâmetro, chamados degasodutos.

O gás natural pode ser encontrado na natureza da seguinte forma:

Figura 26 – Fontes de Gás Natural

Tal e como é extraído das jazidas, o Gás Natural é um produto incolor e inodoro, não étóxico e é mais leve que o ar. Além disso, é uma energia livre de enxofre e a suacombustão é completa, liberando como produtos da mesma o dióxido de carbono (CO2) evapor de água. Sendo tais produtos não tóxicos, o Gás Natural é uma energia ecológica enão poluente.

O gás natural é um combustível gasoso composto por uma mistura de várioshidrocarbonetos que fazem dele um combustível estável e leve, com combustão limpa enão poluente e de fácil dissipação na atmosfera.

Identificação e Nomenclatura:

• Nome Comercial: Gás Natural• Família Química: Mistura de hidrocarbonetos• Sinônimo: Gás Combustível• N°. ONU: 1971• Registro PETROBRÁS: PB0001• Registro LabSafe: LX0001

A composição molar do gás natural varia no dia a dia, dependendo das quantidadesmolares de cada um de seus componentes.

A composição molar típica se encontra entre os seguintes valores:

ASSOCIADO NÃO ASSOCIADO





Tabela 3 – Composição molar típica do Gás Natural

Composição Abreviação Nome Média (%Molar)

C6 Pesados 0,1%

C3H8 C3 Propano 1,6%

IC4H10 IC4 I-butano 0,2%

NC4H10 NC4 N-butano 0,3%

IC5H12 IC5 I-pentano 0,2%

NC5H12 NC5 N-pentano 0,1%

C2H6 C2 Etano 5,9%

N2 Nitrogênio 1,7%

CH4 C1 Metano 89,5%

CO2 Dióxido de Carbono 1,3%

O poder calorífico dos gases quantifica a sua capacidade de gerar energia, uma vezefetuada a combustão. Os gases com maior capacidade calórica são os mais pesados,sendo, no entanto, mais instáveis e perigosos.

A tabela abaixo mostra também os poderes caloríficos de outros combustíveis, paraefeitos de comparação.

Tabela 4 – Comparação de poder calorífico dos combustíveis mais usuais

Tipo de Gás Poder Calorífico

Gás Natural 1.000 - 1.100 BTU/ft3

Propano 1.500 BTU/ft3

Butano 3.250 BTU/ft3

Gasolina 4.750 BTU/ft3

GLP (gás de cozinha) 2.500 BTU/ft3

O Gás Natural boliviano apresenta os seguintes valores médios:

• Poder Calorífico Seco: 1.070 BTU/ft3 • Poder Calorífico Saturado: 1.050 BTU/ft3

A temperatura de combustão do gás é um fator importante no manuseio e transporte decombustíveis. Seguem os valores do Gás Natural e de outros combustíveis gasosos:

Tabela 5 – Temperatura de combustão dos combustíveis mais usuais

Tipo de GásTemperatura de

Combustão

Gás Natural 649 °C = 1.200 °F

Propano 482 °C = 900 °F

Butano 404 °C = 760 °F

Gasolina 315 °C = ~600 °F

Acetileno 304 °C = 580 °F





Os gases com temperaturas de combustão muito baixas são considerados instáveis. OGás Natural apresenta uma temperatura muito alta quando comparado aos outros gases

combustíveis, sendo por tanto mais estável e mais seguro.

6. T URBINA A G ÁS O principal componente de uma planta de ciclo combinado é a Turbina a Gás.

6.1. P RINCÍPIO DE F UNCIONAMENTO Para entender o princípio básico de funcionamento de uma turbina a gás é necessáriorevisar seus princípios básicos de operação.

As figuras abaixo são de um simples balão de brinquedo. A figura 26 mostra o balão cheiode ar e sua boca amarrada com uma corda, para prevenir que o ar escape. A pressãoexercida pelo ar no interior do balão é igual em todas as direções. Quando a corda ésolta, na segunda parte B da figura 25, o ar flui pela boca do balão, fazendo com que omesmo corra na direção oposta ao fluxo do ar que está escapando.

A B

Figura 27 – Balão pressurizado

O movimento do balão é explicado por duas leis físicas:

• Para cada ação existe uma reação de força igual e em sentido contrário (3ª Lei deNewton).

• Força é igual à massa x aceleração (2ª Lei de Newton).

Neste exemplo, enquanto o ar escapa pela boca do balão, o mesmo é acelerado de umavelocidade zero até uma determinada velocidade.

A aceleração é definida como a taxa de variação da velocidade.

A massa é definida como “tudo que ocupa lugar no espaço”. O ar se encaixa nestadefinição. A força total do ar de fuga (a força de ação) pode ser calculada pela equação:

amF ×=





A força da reação é igual a esta força de ação, porém com sentido contrário.

Para aumentar a força do balão basta apenas aumentar a massa, aumentar a aceleraçãodesta massa ou aumentar ambos (massa e aceleração).

Para aumentar a massa devemos usar um ar mais frio (maior densidade) neste mesmoespaço (volume) ou aumentar a quantidade do ar neste espaço, comprimindo o ar, o queé refletido pelo aumento da pressão interna do balão.

O percurso percorrido pelo balão apresentado na figura 26 parte B fica limitado pelaquantidade de ar que ele possuiu e o tempo necessário para esvaziar todo o ar. Se o ardentro do balão fosse reposto numa taxa maior, ou até igual, a taxa de esvaziamento doar, então a distância e tempo de movimento do balão seriam indefinidos.

A figura 27 representa uma possibilidade simplificada de como se atingir este objetivo. Adesvantagem desta máquina, contudo, é que a taxa de suprimento de ar para o balão é

muita pequena para manter o movimento do esquete, o que permitirá somente uma baixavelocidade a partir um tempo determinado.

A máquina apresentada na figura 28 abaixo é uma melhoria do projeto. O suprimento dear para o balão foi aumentado significativamente, sendo fornecido por um ventilador(acionado por um motor elétrico). A desvantagem aqui é que a distância percorrida élimitada pelo comprimento do fio elétrico do ventilador.Na figura 29 abaixo a força do balão foi aumentada ainda mais, devido ao aumento daaceleração. Isto é feito pela adição de calor, expansão e aceleração da massa pelacombustão de combustível.

Figura 28 – Balão com suprimento limitado

Figura 29 – Balão com restrição pela alimentação do ventilador





Figura 30 – Incremento do sistema de movimento do balão

A ilustração da Figura 30 representa os elementos básicos de um gerador a gás de eixoúnico, que é usado num projeto de uma turbina a gás, previamente discutido. O ventiladordo balão não é mais conduzido por um motor elétrico e sim pelo próprio eixo da turbina.Enquanto os gases quentes provenientes da combustão aceleram a turbina, a mesma

converte uma parte da energia térmica em energia mecânica para girar o compressor(ventilador), acarretando no aumento de ar para o compressor, completando um ciclo quetorna o gerador auto-suficiente (sem nenhum serviço de apoio externo exceto osuprimento de combustível).

Figura 31 – Elementos básicos de um gerador a gás

Aproximadamente 40% da energia produzida pelo combustor é consumida pela turbinapara conduzir o compressor. Os 60% da energia restante é disponibilizada para acionar o

gerador elétrico.Obs: Aqui estamos considerando uma máquina ideal (sem perdas), nem é discutido osistema de partida da máquina para iniciar o seu funcionamento.





Figura 32 – Ilustação de uma turbina com um gerador em eixo único

Para entender melhor como são desenvolvidos a pressão e o fluxo de ar, sãoapresentados os dutos convergentes e divergentes, mostrados na figura abaixo.

Figura 33 – Duto convergente

Enquanto o ar percorre através de um duto convergente, Figura 33, o mesmo é acelerado,aumentando a sua velocidade. Enquanto isto ocorre a redução da pressão. A força do araumenta porque aumenta a aceleração (Força = Massa x Aceleração). Um exemplo disto

é uma mangueira de jardim comum. Quando a abertura do bocal é reduzida, a força daágua saindo do bocal aumenta. Uma força de reação contrária na mangueira pode sersentida na sua mão. Este é um exemplo de um duto convergente.




Figura 34 – Duto divergente

Na Figura 34, observa-se que quando o ar passa por um duto divergente, o mesmo sofreuma desaceleração, reduzindo a sua velocidade. Enquanto isto ocorre ha um aumento napressão.

módulo i - fundamentos da geração termelétrica (2008-08-07)

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