UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Pré-Projeto de Máquinas Térmicas – Mini Usina Termoelétrica

São Cristóvão - SE

Novembro de 2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Pré-Projeto de Máquinas Térmicas - Mini Usina Termoelétrica

Pré-projeto de um protótipo de uma Mini Usina

Termelétrica apresentado à disciplina de

Máquinas Térmicas, na turma T01, por solicitação

e orientação do Prof. Dr. Josegil de Araújo.

Cristiana Gusmão Moreira

Gabriel Nascimento dos Santos

Michell Anderson Souza Andrade

Gilmar Araújo dos Santos

Marcio Lindemberg Bezerra de Medeiros

São Cristóvão - SE

Novembro de 2015

SUMÁRIO

JUSTIFICATIVA .............................................................................................................................. 4

OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 5

A) OBJETIVOS GERAIS ........................................................................................................ 5

B) OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................. 5

FORMULAÇÃO DO PROBLEMA DA PESQUISA ...................................................................... 6

FORMULAÇÃO DA HIPÓTESE DA PESQUISA ......................................................................... 7

METODOLOGIA DE PESQUISA E REFERENCIAL TEÓRICO ................................................. 8

ESBOÇO DE PROJETO .................................................................................................................. 9

CRONOGRAMA DE ATIVIDADES ............................................................................................. 11

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................... 12

JUSTIFICATIVA

O desenvolvimento econômico dos países está estreitamente associado ao aumento da

demanda energética. Sendo assim, estudos e o entendimento aprofundado das diversas matrizes

energéticas são fundamentais para o planejamento estratégico de cada nação.

O Brasil possui a matriz energética mais renovável do mundo industrializado com 45,3%

de sua produção proveniente de fontes como recursos hídricos, biomassa e etanol, além das energias

eólica e solar. Em função do grande potencial hídrico as usinas hidrelétricas são responsáveis pela

geração de mais de 70% da eletricidade do País. No Brasil, a energia termoelétrica é um recurso

estratégico, pois supre as necessidades energéticas durante os períodos de seca quando as

hidroelétricas não atendem toda a demanda.

Os números mais recentes da Aneel indicam que existem 1384 usinas termelétricas em

operação no Brasil. Os dados oficiais indicam ainda um perfil claro sobre as usinas termelétricas

brasileiras: estão concentradas no Sudeste (43%) e no Norte (26%), usam predominantemente

combustíveis fósseis (70%), com destaque para o óleo diesel, adotado em 829 das 1384 usinas em

operação, seguido pelo gás natural (6,7% do total de UTEs em operação). Um terço das unidades,

no entanto, adota a biomassa, mas essa quebra só acontece em função das 315 usinas que adotam

o bagaço de cana. E mais: trata-se de uma modalidade de usina concentrada em São Paulo, onde

estão 54% das operações que usam o bagaço como combustível.

Todas estas usinas em funcionamento podem gerar cerca de 15 mil MW de energia

(Megawatts), correspondendo a aproximadamente um quarto da capacidade do País.

Assim, o seguinte trabalho tem o intuito de investigar e desenvolver de forma prática os

princípios mecânicos e termodinâmicos de uma Mini Usina Termoelétrica.

OBJETIVOS

A) OBJETIVOS GERAIS

1. Ampliar os conhecimentos acerca dos ciclos termodinâmicos;

2. Analisar em termos práticos os conhecimentos adquiridos com relação às máquinas térmicas;

B) OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Construir um protótipo de uma mini usina termoelétrica;

2. Geração de energia elétrica através de uma máquina a vapor.

3. Identificar as etapas ocorridas durante o funcionamento de uma usina termoelétrica.

4. Analisar as transformações de energia ocorridas em cada etapa do processo.

FORMULAÇÃO DO PROBLEMA DA PESQUISA

O grupo elegeu fabricar o protótipo de uma mini usina termoelétrica por ser realizável sua

construção e por oportunizar visualmente a compreensão de assustos abordados em sala de aula.

As usinas termoelétricas têm seu funcionamento baseado em 4 estágios: aquecimento da

caldeira através de algum tipo de combustível, rotação da turbina, movimentação do gerador e

distribuição da energia pelas linhas de transmissão.

A energia vai para a usina como combustível fóssil, que ao ser queimado reage com o

oxigênio do ar e, assim, nesse processo denominado combustão, converte a energia química em

energia térmica. Uma certa porcentagem desta energia térmica é transferida para a caldeira e produz

vapor. A expansão do vapor nos cilindros da máquina ou nos injetores e palhetas da turbina,

transformam a energia térmica do vapor em energia mecânica. O vapor quente produz movimento.

A energia mecânica que sai da turbina é utilizada para movimentar o gerador elétrico que

por sua vez, converte uma grande proporção (alto rendimento) da energia mecânica que recebe, em

energia elétrica.

Um certo volume de energia elétrica volta a se transformar em calor.

Em última análise, toda a energia aparece de novo como energia térmica ou convertida em

outras formas de energia.

Suas vantagens são: rápidas para se construir em comparação com usinas hidrelétricas,

podendo assim munir carências de energia de forma eficiente; outro ponto positivo é que elas

podem ser instaladas próximos às regiões de consumo, isso reduz o custo com torres e linhas de

transmissão.

Suas desvantagens: liberação de poluentes na atmosfera e custo final mais elevado do que

em hidrelétricas.

FORMULAÇÃO DA HIPÓTESE DA PESQUISA

Para a construção do protótipo será utilizada uma panela de pressão de uso doméstico para

gerar o vapor, onde serão instalados um manômetro de pressão e uma válvula de regulagem de

fluxo, com o intuito de promover o aumento de pressão interna da panela até que seja atingida a

pressão de trabalho. Para o fornecimento de calor na unidade geradora de vapor será utilizado um

fogão com GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Quando for atingida a pressão de trabalho, a válvula

de regulagem de fluxo será liberada, dando início ao funcionamento da turbina. O príncipio de

funcionamento é igual a qualquer outra máquina térmica, transformando a energia térmica em

mecânica produzida pela passagem de vapor. O vapor será diretamente ejetado (turbina) em uma

ventoinha, a qual produzirá trabalho. Testes serão realizados fixando essa ventoinha a um motor de

baixa voltagem. Esse trabalho realizado pela vetoinha e motor (gerador), deverá gerar energia

elétrica em um LED. A máquina térmica terá como fonte fria o ambiente e fonte quente o gás em

combustão.

Figura 1- Esboço Ciclo Máquina térmica.

METODOLOGIA DE PESQUISA E REFERENCIAL TEÓRICO

A metodologia utilizada para o trabalho foi dividida em 7 partes:

Revisão bibliográfica – onde foi reunido todo conhecimento necessário para a realização

do trabalho.

Elaboração do projeto de construção da máquina térmica – onde o grupo irá projetar o

protótipo a ser apresentado em sala de aula.

Dimensionamento e desenho do protótipo – etapa de cálculos e desenho no software Solid

Works.

Fabricação do protótipo – etapa de construção e testes de funcionamento.

Elaboração do projeto em formato científico – onde será feito o trabalho escrito explicando

de maneira elucidativa todas as etapas de construção do protótipo.

Revisão geral e ajustes do projeto – etapa em que será realizada uma revisão do trabalho

escrito e dos últimos ajustes do protótipo, caso necessário.

Apresentação do protótipo e entrega do projeto – entrega do projeto escrito ao professor e

apresentação em sala de aula do protótipo funcionando.

Ao pesquisar referencial teórico para a realização desse projeto pode-se constatar que

existem vários tipos de protótipos e algumas variações em pequenos detalhes no tipo escolhido

pelo grupo.

ESBOÇO DE PROJETO

Iniciamos o projeto com o objetivo da construção de uma máquina térmica baseada

principalmente nos conceitos de caldeiras a vapor. Nesse tipo de sistema, a água é aquecida em um

recipiente fechado, onde posteriormente o vapor da água é aproveitado. Testes serão feitos com

uma panela de pressão.

Abaixo estão os primeiros esboços para o projeto feito no Solidworks.

Figura 2- Esboço do protótipo no SolidWorks.

A principio, utilizaremos uma panela de pressão. Elas já possuem o escape do vapor na

parte superior, além de possuir uma válvula de segurança. Além disso, possuem tampas que vedam

hermeticamente.

Estudaremos também a possibilidade de aplicar um extintor como caldeira. O grande

problema pode se dar na sua fabricação, ou alteração da sua estrutura, para instalação da válvula

de segurança e conexões.

A estrutura será fabricada em alumínio, por ser um material maleável e de baixa densidade.

Possívelmente a fixação dos seus componentes será feita por processo de fabricação de rebitagem.

Figura 3- Esboço do protótipo no SolidWorks.

A condução do vapor poderar ser feita por tubos de PPR (polipropileno) soldados por

termofusão, ou por mangueira. Estudaremos como fixar a válvula em mangueiras.

Para fins de segurança e verificação, instalaremos um pressostato, que nos informará a

pressão da linha no momento em que o vapor for gerado pela caldeira. Além desse item,

estudaremos um tipo de automação simples, com solenoide. Essa válvula atuará como elemento de

segurança e também controle automático, pois mantém a pressão interna de todo o sistema em

níveis seguros de utilização quando utilizada junto a um pressostato.

CRONOGRAMA DE ATIVIDADES

Tarefa out/2015 nov/2015 dez/2015

S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4

Revisão bibliográfica

Elaboração do projeto de construção da

máquina térmica

Dimensionamento e desenho do protótipo

Fabricação do protótipo

Elaboração do projeto em formato

científico

Revisão geral e ajustes do projeto

Apresentação do protótipo e entrega do

projeto

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

NETTO, Prof. Luiz Ferraz. Usina termelétrica: Fluxo das energias. 2011. Disponível em:

http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_T08.asp. Acesso em: 08/11/2015

PORTAL BRASIL. Matriz energética. 2010. Disponível em: http://www.brasil.gov.br/meio-

ambiente/2010/11/matriz-energetica. Acesso em: 09/11/2015

As Termelétricas na geração de energia no Brasil. 2010. Disponível em:

http://www.grandesconstrucoes.com.br/br/index.php?option=com_conteudo&task=viewMateria

&id=343. Acesso em: 10/11/2015