Geração de Energia Elétrica

Transcrição

1 Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica a Joinville, 11 de Abril de 2012

2 Escopo dos Tópicos Abordados Conceitos básicos de termodinâmica; Centrais Térmicas a : Descrição de Componentes (Caldeira+Turbina); Material obtido através do P&D EFEI (atual UNIFEI) com FURNAS e Dissertação de mestrado Fernando B Prioste - Itajubá

3 Segunda Lei da Temodinâmica: Enunciado de Clausius: Impossibilidade de transferência espontânea de 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 3

4 Segunda 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. 4

5 Segunda 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. Ciclo de uma máquina térmica motora. 5

6 Segunda Lei da Temodinâmica: Rendimento: O rendimento térmico do ciclo da máquina motora : H C C ηt = = 1 H H H = calor transferido da fonte quente [ ] J ; C = calor transferido da fonte fria [ ] Para um processo reversível: C H O rendimento do ciclo não pode chegar a 100%, pois violaria o enunciado de Kelvin-Planck. rev T = T C H J ; 6

7 Segunda Lei da Temodinâmica: Rendimento: O rendimento térmico do ciclo da máquina motora : η t H C = = 1 H 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. 7 C H

8 Caldeira + Turbina: Analogia: 8

9 Aumento do rendimento do ciclo térmico: Inserção do condensador. η t H C = 1 H = H = calor transferido da fonte quente [ J ]; C = calor transferido da fonte fria [ J ]; C H Lembre: Para um processo reversível: C H rev = T T C H 9

10 Ciclo térmico a vapor fechado. 10

11 Componentes de uma Central Termoelétrica a vapor. Caldeira ou gerador de vapor: é um conjunto de componentes que tem a função de transformar a água em vapor superaquecido. 11

12 Componentes de uma Central Termoelétrica a vapor. Caldeira ou gerador de vapor, constituída por: Fornalha Tambor Bombas de circulação Superaquecedor Reaquecedor Economizador Pré-aquecedores de ar ueimadores 12

13 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. 13

14 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. 14

15 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. 15

16 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. 16

17 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. ueimadores: 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. 17

18 Componentes da turbina a vapor: 18

19 Componentes da turbina a vapor: Válvulas: Estágios ou seções da turbina 19

20 Válvulas: servem para interromper/controlar o fluxo de vapor 20

21 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 controle do vapor estrangulado durante a partida. 21

22 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. 22

23 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). 23

24 Estágios ou seções das turbinas: Estágios de: Alta pressão; Pressão intermediária; Baixa pressão. Abordagem na próxima aula. 24