Sumário

Equipamentos Termodinâmicos

1. Introdução a Equipamentos Termodinâmicos ............................................022. Central Termoelétrica....................................................................................023. Turbina a Gás..................................................................................................034. Caldeira de Recuperação de Calor (HRSG).................................................055. Motor a Vapor.................................................................................................066. Motor Químico de Foguete.............................................................................077. Geradores de Vapor........................................................................................07

7.1. Aquatubular................................................................................................087.2. Flamatubula................................................................................................09

8. Aquecedor de Fluido Térmico .......................................................................09

Superfície Termodinâmica 9. Superfície Termodinâmica...............................................................................10

9.1. Introdução a Superfície Termodinâmica..........................................109.2. Conceitos Básicos.................................................................................10

10. Referências Bibliográficas...............................................................................12

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1. Introdução a Equipamentos Termodinâmicos

Neste trabalho, grande parte dos exemplos e problemas apresentados se referem a processos que ocorrem em equipamentos termodinâmicos tais como: centrais termoelétricas, refrigeradores por compressão de vapor, resfriadores termoelétricos, foguetes e equipamentos de decomposição do ar, entre outros. No desenvolvimento do trabalho iremos dar uma descrição destes equipamentos, este a qual incluirá uma breve introdução à aplicação da termodinâmica em tais determinados aparelhos.

2. Central Termoelétrica

O desenho esquemático de uma central termoelétrica é apresentado na Figura 2.1. Vapor superaquecido e sob alta pressão deixa a caldeira, que também é chamada de gerador de vapor, e entra na turbina. O vapor se expande na turbina e o fazendo, realiza trabalho, o que possibilita à turbina impelir o gerador elétrico. O vapor em baixa pressão deixa a turbina e entra no condensador, onde há transferência de calor do vapor (condensando) para a água de refrigeração. Como grande quantidade de água de refrigeração é necessária, as instalações de força são frequentemente instaladas perto de rios ou lagos.

Quando o suprimento de água de refrigeração é limitado, uma torre de resfriamento deve ser usada. Na torre de resfriamento uma parte de água de refrigeração evapora de maneira a abaixar a temperatura da água que permanece líquida.A pressão do condensador, à saída do condensador, é aumentada na bomba, permitindo ao condensado, portanto, entrar no gerador de vapor. Em muitos geradores de vapor usa-se um economizador. Um economizador é simplesmente um trocador de calor no qual se transfere calor dos produtos de combustão (imediatamente após deixarem o gerador de vapor) para os condensado; como

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Figura 2.1 Desenho Esquemático de Central Termoelétrica

resultado a temperatura do condenado é elevada, mas não há vaporização. Noutras partes de geradores de vapor, transfere-se calor dos produtos de combustão para a água, vaporizando-a. A temperatura em que se dá a vaporização é chamada temperatura de saturação. O vapor flui então para outro trocador de calor, chamado superaquecedor, no qual a temperatura do vapor é elevada acima da temperatura de saturação.Em muitas instalações geradoras de potência utiliza-se ar pré-aquecido, para combustão, transferindo-se calor dos gases ao saírem da fornalha. Este ar é então misturado com o combustível - o qual pode ser carvão, óleo combustível, gás natural ou material combustível – e a combustão se realiza na fornalha. À medida que os produtos da combustão passam pela fornalha, transfere-se calor para água do superaquecedor, gerador de vapor, economizador, e para o ar pré-aquecedor de ar.

A figura 2.2 mostra uma turbina a vapor e o gerador por ela acionado. A capacidade das turbinas de vapor varia desde 10 KW até 1.000.000 KW.

3. Turbina a GásOs principais elementos das termelétricas de ciclo combinado são as turbinas a gás, uma tecnologia em grande parte proveniente dos jatos desenvolvidos para as aeronaves militares e civis, onde o combustível é o querosene. Nas termelétricas, o combustível mais utilizado é o gás natural, embora seja quase sempre dada a possibilidade de operar com um segundo combustível, como o óleo diesel, por exemplo, para evitar interrupções no caso de problemas no suprimento do gás.Podemos distinguir três componentes principais em uma turbina a gás:

O compressor;

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Figura 2.2 Turbina a Vapor

A câmara de combustão (CC); A turbina propriamente dita.

Figura 3.1 Esquema de uma Turbina a Gás

A turbina é uma fonte de acionamento mecânico tanto do compressor como do gerador elétrico. Como mencionado, uma turbina a gás consiste basicamente de um compressor com sua respectiva seção de entrada de ar, uma sistema de combustão e uma turbina de expansão associada à seção dos gases de escape.

Durante a partida, inicialmente, a turbina necessita de um sistema de arranque para pôr o compressor em funcionamento. Assim que este alcança uma dada velocidade, o ar atmosférico é aspirado, comprimido e conduzido à câmara de combustão, onde é misturado ao combustível (líquido ou gasoso). A energia resultante da combustão libera gases quentes que se expandem através da turbina, produzindo energia mecânica. Desprezando as perdas, uma parte desta energia mecânica é utilizada para o acionamento do compressor, sendo a outra parte empregada no acionamento de um gerador síncrono trifásico.A estabilidade da combustão, bem como a temperatura na seção da turbina, é mantida através do controle da relação ar/combustível. O ar atmosférico captado pelo compressor é comprimido (pressão aproximada de 13 bar e temperatura aproximada de 375 °C) e direcionado para o combustor. Após passar pelo combustor a temperatura se eleva para 1250 °C, aproximadamente, devido à queima do gás. Em seguida a mistura é direcionada para o acionamento da turbina, a pressão é reduzida à pressão atmosférica e a temperatura para aproximadamente 550 °C (gases de exaustão da turbina). Se uma turbina estiver operando isoladamente (ciclo simples), como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 36%, ou seja, cerca de 64% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão. Poder-se-ia elevar esta eficiência térmica através da elevação de

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Figura 3.2 Turbina a Gás

temperaturas e pressões de entrada, porém isto elevaria demasiadamente o custo de construção e manutenção dos equipamentos do processo, inviabilizando o projeto.A figura abaixo apresenta um arranjo típico de uma turbina a gás em ciclo simples, apresentando a distribuição de energia de entrada e saída:

Figura 3.3 Turbina a Gás em ciclo simples

As turbinas a gás são ótimas máquinas para a produção de energia elétrica em ciclo simples ou co-geração, principalmente ao ser utilizado o gás natural ao invés de combustíveis líquidos. Quando se utiliza o gás natural como combustível, as emissões de poluentes, tais como NOx, SO2 e CO, são muito baixas.Em contrapartida, os combustíveis líquidos são conhecidos por acarretarem problemas de manutenção devido à presença de elementos químicos e sais que aceleram a corrosão dos componentes que se encontram na câmara de combustão e no caminho dos gases quentes.

4. Caldeira de Recuperação de Calor (HRSG)As usinas de ciclo combinado têm como um dos seus principais elementos um gerador de vapor capaz de recuperar parte do calor dos gases de exaustão das turbinas a gás. Este gerador de vapor, ou caldeira, é normalmente conhecido pela sigla de origem inglesa HRSG (Heat Recovery Steam Generator), que significa Caldeira de Recuperação de Calor. Usando um HRSG, a eficiência térmica eleva-se substancialmente, como se vê na figura abaixo, pois o vapor assim produzido aciona uma turbina, sem necessidade de queima de combustível adicional.

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Figura 4.1 Esquema de uma Caldeira de Recuperação de Calor

A temperatura máxima que pode ser obtida no vapor depende da temperatura dos gases de exaustão da turbina a gás, que é da ordem de 550 °C. A quantidade de vapor produzido é suficiente para acionar uma turbina a vapor capaz de gerar a metade da energia elétrica da turbina a gás correspondente. Em conseqüência, uns dos arranjos clássicos de uma usina de ciclo combinado são duas turbinas a gás e uma a vapor, todas da mesma capacidade (por exemplo 150MW em cada turbina a gás e 150MW na turbina a vapor).Os HRSGs podem ser projetados para ir de encontro às necessidades de qualquer instalação industrial. Existe uma grande variedade de HRSGs, desde os que funcionam segundo o ciclo sem reaquecimento e pressão única até os de ciclo com reaquecimento simples/múltiplo e tripla pressão. Há ainda a possibilidade de produção de vapor com uma combustão suplementar. O gás de exaustão proveniente da turbina a gás ainda contém oxigênio, o que permite a queima suplementar de combustível, se for desejado vapor a temperaturas mais elevadas ou em maior quantidade.

5. Motor a vapor

O diagrama a seguir mostra os componentes principais de um motor a vapor de pistão. Este tipo de motor seria característico numa locomotiva a vapor.

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Figura 4.2 Caldeira de Recuperação de Calor

Figura 5.1 Esquema de um Motor a Vapor

O motor mostrado é um motor a vapor de dupla atuação porque a válvula permite vapor sob alta pressão entrar alternadamente em ambos os lados do cilindro. A válvula corrediça é responsável por permitir que o vapor em alta pressão entre em qualquer lado do cilindro. A haste de comando da válvula é geralmente conectada a uma ligação com a cruzeta, de modo que seu movimento faça a válvula funcionar deslizando. Na locomotiva a vapor, este arranjo também permite ao maquinista fazer o trem dar ré. Neste diagrama que o vapor, depois de usado, é simplesmente expelido, saindo para a atmosfera.

6. Motor Químico de Foguete

O advento dos mísseis e satélites promove o uso do motor de Foguete como instalação propulsora. Os motores químicos de foguetes podem ser classificados tanto como de combustível líquido quanto de combustível solido dependendo do tipo de propelente utilizado.

A figura 6.1 mostra um diagrama simplificado de um foguete movido a combustível liquido. O oxidante e o combustível são bombeados através da placa injetora para a câmara de combustão onde esta ocorre uma alta pressão. Os produtos da combustão em alta temperatura e alta pressão expandem-se ao escoarem-se através do bocal, resultando assim uma alta velocidade de saída do mesmo. A variação de quantidade de movimento associada com o crescimento da velocidade fornece o empuxo sobre o veiculo.

7. Geradores de VaporExistem vários tipos de geradores de vapor; mas os darei ênfase aos dois tipos mais conhecidos:

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Figura 6.1Esquema de um motor de foguete que utiliza combustível líquido

Figura 7.1 Sistema de um gerador de vapor

7.1 Aquatubular

São Geradores de Vapor em que a água esta por dentro dos tubos e os gases estão por fora dos tubos. Trabalham com Pressão de 8,0 até 120 kg/cm2 ou 8 a 120 bar, com taxa de evaporação da ordem de 30 a 45 kg/m2 dependendo da concepção da mesma, com fornalhas em parede de água e alta taxa de convecção, em nosso pais utiliza-se este tipo de gerador (caldeira), nas Usinas de cana de açúcar, para fabricação do álcool, as usinas no inicio trabalhavam com Pressões de 21 bar, hoje elas estão trabalhando com Pressões de 48 bar e até 72 bar, com objetivo de gerar energia elétrica para venda, sendo uns dos produtos ofertados além do açúcar e álcool.

Figura 7.1.1 Gerador Aquatubular

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7.2 Flamatubular:

São geradores de vapor em que os gases quentes estão por dentro dos tubos e a água por fora, essas caldeiras se destinam a pressões na faixa de 0 a 15 bar, trabalhando a maioria até 10 bar, em laticíos, curtumes, frigoríficos, fábricas de bebidas em geral. Trabalham com taxa de evaporação da ordem de 18 kg/m2 e máximo 35 kg/m2 dependendo da forma de construção da mesma um dois ou três passes dos gases nos tubos. Um dos fatores de conservação das caldeiras está no tratamento de água, sendo que caldeiras, com boa condição de manutenção em seus acessórios e um bom tratamento com instalação abrandadores, e empresas especializadas cuidando do tratamento da água eleva em muito a sua vida útil, caldeiras com águas de péssima qualidade não tratadas podem sofrer com perda de rendimento, aumento do consumo de combustível até colapso da mesma por níveis de incrustações altos. A água em caldeira é tudo, desde o principio de que a mesma tem como objetivo principal a troca térmica com combustível que aquece uma massa metálica, que em contato com a água gerar vapor, serve também pelo princípio de projeto e construção a refrigeração das chapas dos tubos, coletores, balões, mantendo a mesma em temperaturas que não ultrapasse seu limite de resistência com aquecimento, portanto é muito importante que ela esteja com padrões de uso aceitáveis que não venham a incrustar as partes metálicas que estão em contato com a mesma, que não seja corrosiva e os dispositivos que alimentam as caldeiras, bombas, injetores, turbo bombas devem estar sempre em bom estado de conservação e possam manter as partes metálicas com água para que não venha ocorrer o colapso da mesma, níveis de águas abaixo dos níveis de operação ou a falta do mesmo leva a acidentes graves sem condições de ser mensuráveis.

8. Aquecedor de Fluido Térmico Utilizado em processo industrial que requer alta temperatura. Consiste de câmara de combustão serpentinada, por onde circula o óleo a ser aquecido, através de gases de combustão. O sistema opera na temperatura de até 300ºC com óleo mineral e 380ºC com óleo sintético, pressurizado com gás inerte.Os parâmetros de temperatura, velocidade e nível do óleo no sistema são controlados para evitar craqueamento do óleo e conseqüente colapso do sistema. O aquecedor é projetado considerando especificação do óleo térmico, tipo de combustível e características da combustão. Os combustíveis utilizados são:-óleo leve / pesado- gás natural / GLP / outros gases- biomassa / lenha / cavaco / outros A interligação do aquecedor com os consumidores de calor requer projeto adequado em função da variação de temperatura exigida no consumidor, distância entre aquecedor e consumidor. A TENGE está apta a fornecer toda orientação necessária bem como a execução do projeto, possibilitando instalação compatível com a necessidade do cliente a um custo/benefício adequado. Fabricamos aquecedor de recuperação para processo industrial onde haja possibilidade aproveitamento calor residual.Fabricação abrange potência de 100.000 kcal/h até 10.000.000 kcal/h, podendo atingir 20.000.000 kcal/h sob consulta.

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Figura 8.1 Sistema de um aquecedor de fluido térmico

9. Superfície Termodinâmica

9.1 Introduções a Superfície Termodinâmica

A termodinâmica faz parte do conjunto básico de disciplinas ministradas na engenharia, e como uma disciplina básica fornece subsídios para a solução de problemas práticos e compreensão dos fenômenos presentes no dia a dia do engenheiro. Uma parte importante do curso introdutório à termodinâmica é aquela que trata das substâncias e suas propriedades. Sem exageros, pode-se dizer que é indispensável o pleno domínio dos conceitos que são transmitidos nessa fase do aprendizado, pois, disciplinas posteriores utilizarão exaustivamente todos eles. Exemplos como geração de vapor, máquinas de fluxo, condicionamento de ar e refrigeração, psicrometria, são apenas alguns entre os inúmeros casos de aplicação das definições adquiridas com o estudo das substâncias.Na seção 2 são apresentados conceitos básicos, encontrados nos livros de termodinâmica e na seção 3 é feita a comparação entre a representação esquemática e o modelo físico.

9.2 Conceitos básicos

Uma breve revisão dos conceitos é apresentada nessa seção. Todas as considerações são para uma substância pura, ou seja, mesmo que apresente mais de uma fase possuirá composição química invariável e homogênea para todas as fases. É também importante mencionar que apenas serão analisadas as fases líquidas e vapor das substâncias (bem como a região de saturação), não interessando para este trabalho o estado sólido.

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Figura 9.2.1 Representação esquemática da superfície termodinâmica e projeções nos planos Temperatura - pressão, volume específico - pressão e volume específico – temperatura.

Considerando uma substância pura no estado líquido que sofre uma diminuição de pressão, em um processo isotérmico, é possível verificar que em uma dada pressão, de valor bem estabelecido, inicia-se o processo de mudança de fase. A essa pressão dá-se a denominação de pressão de saturação, que permanece constante até a completa mudança de fase. Associado a cada pressão de saturação há um estado em que a substância se encontra apenas na fase líquida (líquido saturado) ou apenas na fase de vapor (vapor saturado). O valor da pressão de saturação é função exclusiva da temperatura (veja Fig. 9.2.1b). A curva resultante da união de todos os estados de equilíbrio, para diversas temperaturas, é denominada curva de saturação ou bi nodal (veja Fig. 9.2.1a). Em alguns casos é possível que, sob determinadas condições, em um processo isotérmico a pressão do líquido seja menor que a pressão de saturação (correspondente à temperatura da substância) e, ainda assim, não tenha ocorrido mudança de fase, contudo, nesta abordagem o fenômeno descrito não será discutido).

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O comportamento de interesse é aquele previsto pela termodinâmica do equilíbrio estável onde atingida a pressão de saturação há obrigatoriamente mudança de fase. Deste modo, se para uma dada temperatura a pressão é maior que a pressão de saturação, o fluido estará no estado líquido, daí o nome líquido comprimido. O mesmo ocorre se para uma dada pressão o fluido tiver temperatura menor que a temperatura de saturação e por esse motivo, em diversos livros texto esse estado é conhecido como líquido subresfriado. Se as condições forem exatamente inversas às descritas anteriormente temos vapor superaquecido (temperatura maior que a temperatura de saturação ou pressão menor que a pressão de saturação). Há um caso, no entanto, onde a isobárica (ou isotérmica) ocorre a uma determinada pressão (ou temperatura) em que o volume específico do líquido saturado é exatamente o mesmo do vapor saturado, no diagrama (veja Fig. 9.2.1) a mudança de fase é representada por um ponto, conhecido como ponto crítico e todas as propriedades são denominadas críticas (pressão crítica, temperatura crítica, etc.). Acima da temperatura ou pressão crítica não são mais usuais os termos líquido ou vapor, apenas fluido.

10. Referências Bibliográficas

1. Van Wylen, Gordon John; Richard Sonntag. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. 1° ed. São Paulo: Edgard Blucher Ltda, 1973 v.1 616p.

2. < http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-a-vapor1.htm>. Acesso em: 21 abr. 2010.

3. <http://pt.shvoong.com/exact-sciences/engineering/1766923-geradores-vapor>. Acesso em: 21 abr. 2010.

4. <http://www.pantanalenergia.com.br/operation.asp >. Acesso em: 20 abr. 2010.

5. <http://www.tenge.ind.br/equipamentos_caldeiras.htm >. Acesso em: 20 abr. 2010.

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