1 Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema (massa, volume, energia, pressão, temperatura...) para a qual um valor numérico pode

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2 1 Uma propriedade é uma característica macroscópica de um sistema (massa, volume, energia, pressão, temperatura...) para a qual um valor numérico pode ser atribuído em um dado tempo sem o conhecimento prévio do sistema. Calor e trabalho são formas de transferência de energia, sua adição (ou subtração) ao sistema altera o estado termodinâmico, alterando suas propriedades. A energia interna de um gás ideal é igual à energia cinética média das moléculas. Para o mesmo número de moles, a energia interna depende apenas da temperatura. 2

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13 Uma usina a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a partir da queima do mesmo combustível. Para isto, o calor existente nos gases de exaustão das turbinas a gás é recuperado, produzindo o vapor necessário ao acionamento da turbina a vapor. 5 A eficiência térmica das CCPS (Combined cycle power stations) é melhor que as maiores e mais modernas usinas a carvão ou a óleo. As CCPS são capazes de atingir 56% de eficiência térmica. Mesmo usinas mais antigas ficam acima de 47%, valores que, com a tecnologia hoje disponível, não são encontrados em nenhuma outra térmica comercialmente em uso. Diferentemente dos gases de exaustão de uma turbina a óleo ou de um motor diesel, os gases provenientes de uma 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. Nas instalações comerciais, entretanto, este esquema é pouco usado, pois a eficiência térmica global é menor. a geração a ciclo aberto atua principalmente no pico de carga, quando o preço da energia é elevado. Já o ciclo combinado atua na base e na região intermediária de carga. 13

14 Uma usina a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a partir da queima do mesmo combustível. Para isto, o calor existente nos gases de exaustão das turbinas a gás é recuperado, produzindo o vapor necessário ao acionamento da turbina a vapor. 5 A eficiência térmica das CCPS (Combined cycle power stations) é melhor que as maiores e mais modernas usinas a carvão ou a óleo. As CCPS são capazes de atingir 56% de eficiência térmica. Mesmo usinas mais antigas ficam acima de 47%, valores que, com a tecnologia hoje disponível, não são encontrados em nenhuma outra térmica comercialmente em uso. Diferentemente dos gases de exaustão de uma turbina a óleo ou de um motor diesel, os gases provenientes de uma 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. Nas instalações comerciais, entretanto, este esquema é pouco usado, pois a eficiência térmica global é menor. a geração a ciclo aberto atua principalmente no pico de carga, quando o preço da energia é elevado. Já o ciclo combinado atua na base e na região intermediária de carga. 14

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16 6 Segundo Tolmasquim (2005), as centrais térmica em ciclo simples apresentam uma série de vantagens como o baixo custo de investimento, o prazo curto de entrega dos equipamentos, o período curto de construção, a segurança na operação e a flexibilidade operacional. Uma desvantagem das termelétricas de ciclo aberto é a sua menor eficiência em relação a outras tecnologias, como as de ciclo combinado. 16

17 6 Segundo Tolmasquim (2005), as centrais térmica em ciclo simples apresentam uma série de vantagens como o baixo custo de investimento, o prazo curto de entrega dos equipamentos, o período curto de construção, a segurança na operação e a flexibilidade operacional. Uma desvantagem das termelétricas de ciclo aberto é a sua menor eficiência em relação a outras tecnologias, como as de ciclo combinado. 17

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23 9 As usinas termelétricas podem ser de ciclo simples e ciclo combinado. As termelétricas de ciclo simples utilizam a energia térmica proveniente de gases quentes ou a energia térmica do vapor d água para a produção de energia elétrica. Quando a energia térmica dos gases de escape não é recuperada a planta é dita operar em ciclo aberto. 23

24 9 As usinas termelétricas podem ser de ciclo simples e ciclo combinado. As termelétricas de ciclo simples utilizam a energia térmica proveniente de gases quentes ou a energia térmica do vapor d água para a produção de energia elétrica. Quando a energia térmica dos gases de escape não é recuperada a planta é dita operar em ciclo aberto. 24

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32 12 O ciclo real de potência de vapor difere do Ciclo de Rankine ideal em virtude das irreversibilidades em vários componentes. O atrito do fluido e a perda de calor para a vizinhança são duas fontes comuns de irreversibilidades. O atrito no fluido causa queda de pressão na caldeira, no condensador e nas tubulações entre os diversos componentes. Como resultado, o vapor sai da caldeira a uma pressão um pouco mais baixa. Da mesma forma, a pressão na entrada da turbina é mais baixa do que aquela da saída da caldeira, devido à queda de pressão na tubulação de conexão. A queda de pressão no condensador geralmente é muito pequena. Para compensar essas quedas de pressão, a água deve ser bombeada até uma pressão suficientemente mais alta do que aquela que o ciclo ideal pede. Isso exige uma bomba maior e que consome mais trabalho. Outra fonte importante de irreversibilidade é a perda de calor do vapor para a vizinhança à medida que o escoamento ocorre através dos diversos componentes. Para manter o mesmo nível de potência líquida produzida, é preciso transferir mais calor para o vapor da caldeira para compensar essas perdas indesejáveis de calor. Consequentemente, a eficiência do ciclo cai. 32

33 12 O ciclo real de potência de vapor difere do Ciclo de Rankine ideal em virtude das irreversibilidades em vários componentes. O atrito do fluido e a perda de calor para a vizinhança são duas fontes comuns de irreversibilidades. O atrito no fluido causa queda de pressão na caldeira, no condensador e nas tubulações entre os diversos componentes. Como resultado, o vapor sai da caldeira a uma pressão um pouco mais baixa. Da mesma forma, a pressão na entrada da turbina é mais baixa do que aquela da saída da caldeira, devido à queda de pressão na tubulação de conexão. A queda de pressão no condensador geralmente é muito pequena. Para compensar essas quedas de pressão, a água deve ser bombeada até uma pressão suficientemente mais alta do que aquela que o ciclo ideal pede. Isso exige uma bomba maior e que consome mais trabalho. Outra fonte importante de irreversibilidade é a perda de calor do vapor para a vizinhança à medida que o escoamento ocorre através dos diversos componentes. Para manter o mesmo nível de potência líquida produzida, é preciso transferir mais calor para o vapor da caldeira para compensar essas perdas indesejáveis de calor. Consequentemente, a eficiência do ciclo cai. 33

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43 17 Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo de Rankine. Basicamente, existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine: Redução da pressão na saída da turbina; Aumento da pressão na caldeira; Superaquecer o vapor. Estas três opções possuem limitações fundamentais. Primeiramente, a redução da pressão do vapor na saída da turbina provoca condensação do vapor. Esta água condensada forma gotículas que destroem as palhetas da turbina. Por isso, o título do vapor na saída da turbina não deve ser inferior a 0,85. Por outro lado, o aumento da pressão na caldeira também aumenta a temperatura e, consequentemente, os esforços termo-mecânicos no equipamento aumentam. Portanto, esta solução está limitada à tecnologia dos materiais existentes. Finalmente, existe a solução de superaquecer o vapor. Mais uma vez, esta solução está limitada pela 43 tecnologia de materiais disponível no mercado.

44 17 Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo de Rankine. Basicamente, existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine: Redução da pressão na saída da turbina; Aumento da pressão na caldeira; Superaquecer o vapor. Estas três opções possuem limitações fundamentais. Primeiramente, a redução da pressão do vapor na saída da turbina provoca condensação do vapor. Esta água condensada forma gotículas que destroem as palhetas da turbina. Por isso, o título do vapor na saída da turbina não deve ser inferior a 0,85. Por outro lado, o aumento da pressão na caldeira também aumenta a temperatura e, consequentemente, os esforços termo-mecânicos no equipamento aumentam. Portanto, esta solução está limitada à tecnologia dos materiais existentes. Finalmente, existe a solução de superaquecer o vapor. Mais uma vez, esta solução está limitada pela 44 tecnologia de materiais disponível no mercado.

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46 46 18 Razão de trabalho reversa = h h h h m W m W bwr turbina bomba h m h Q z z g V V h h m W Q vc vc

47 47 18 Razão de trabalho reversa = h h h h m W m W bwr turbina bomba h m h Q z z g V V h h m W Q vc vc

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63 25 A positive displacement pump causes a fluid to move by trapping a fixed amount of it and then forcing (displacing) that trapped volume into the discharge pipe. Positive displacement pumps, unlike centrifugal or rotodynamic pumps, will in theory produce the same flow at a given speed (RPM) no matter what the discharge pressure. 63

64 25 A positive displacement pump causes a fluid to move by trapping a fixed amount of it and then forcing (displacing) that trapped volume into the discharge pipe. Positive displacement pumps, unlike centrifugal or rotodynamic pumps, will in theory produce the same flow at a given speed (RPM) no matter what the discharge pressure. 64

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72 72 29 Very Hard Problem are so easy as 1, 2, N N P P N N H H N N V V

73 73 29 Very Hard Problem are so easy as 1, 2, N N P P N N H H N N V V

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77 Rankine 31 Brayton 77

78 Rankine 31 Brayton 78

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94 38 A temperatura da corrente fria em cada posição é menor que aquela da corrente quente. Se a área é aumentada dando mais chance de troca de calor a diferença de temperaturas vai diminuir em cada posição. No caso de uma área infinita (b) a diferença de temperatura tenderia a zero. Nesse caso a temperatura da corrente fria que sai se aproxima da corrente quente que entra. Assim, a maior temperatura possível de ser atingida pela corrente fria seria a temperatura do gás quente que entra. A efetividade do regenerador é definida como a razão entre o aumento real de entalpia do ar que escoa pelo lado do compressor e o aumento máximo teórico de entalpia. 94

95 38 A temperatura da corrente fria em cada posição é menor que aquela da corrente quente. Se a área é aumentada dando mais chance de troca de calor a diferença de temperaturas vai diminuir em cada posição. No caso de uma área infinita (b) a diferença de temperatura tenderia a zero. Nesse caso a temperatura da corrente fria que sai se aproxima da corrente quente que entra. Assim, a maior temperatura possível de ser atingida pela corrente fria seria a temperatura do gás quente que entra. A efetividade do regenerador é definida como a razão entre o aumento real de entalpia do ar que escoa pelo lado do compressor e o aumento máximo teórico de entalpia. 95

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97 39 Curva característica da bomba, fornecida pelo fabricante após testes em laboratório. 97

98 39 Curva característica da bomba, fornecida pelo fabricante após testes em laboratório. 98

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102 Uma das abordagens para diminuir os danos por cavitação é construir as bombas com características que dificultem a vaporização do líquido: 41 Número suficientemente grande de pás; Nas bombas de múltiplos estágios: Pequeno valor para a altura de elevação de cada rotor. A cavitação é evitada através do projeto adequado da linha de sucção minimizando o aparecimento de baixas pressões. 102

103 Uma das abordagens para diminuir os danos por cavitação é construir as bombas com características que dificultem a vaporização do líquido: 41 Número suficientemente grande de pás; Nas bombas de múltiplos estágios: Pequeno valor para a altura de elevação de cada rotor. A cavitação é evitada através do projeto adequado da linha de sucção minimizando o aparecimento de baixas pressões. 103

104 42 104

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111 PCH DE ACUMULAÇÃO, COM REGULARIZAÇÃO DIÁRIA DO RESERVATÓRIO 45 Esse tipo de PCH é empregado quando as vazões de estiagem do rio são inferiores à necessária para fornecer a potência para suprir a demanda máxima do mercado consumidor e ocorrem com risco superior ao adotado no projeto. Nesse caso, o reservatório fornecerá o adicional necessário de vazão regularizada. Modelo merchant: Em vez de firmar contratos de longo prazo, as usinas ficam à disposição como uma espécie de free lancer. Se alguém precisa de energia, pode recorrer a elas, mas será obrigado a pagar o preço que o mercado livre estiver praticando. A Resolução da ANEEL 394, de 04/12/98, estabelece que os aproveitamentos com características de PCH são aqueles que têm potência entre 1 e 30 MW e área inundada até 3,0 km 2, para a cheia centenária. 111

112 PCH DE ACUMULAÇÃO, COM REGULARIZAÇÃO DIÁRIA DO RESERVATÓRIO 45 Esse tipo de PCH é empregado quando as vazões de estiagem do rio são inferiores à necessária para fornecer a potência para suprir a demanda máxima do mercado consumidor e ocorrem com risco superior ao adotado no projeto. Nesse caso, o reservatório fornecerá o adicional necessário de vazão regularizada. Modelo merchant: Em vez de firmar contratos de longo prazo, as usinas ficam à disposição como uma espécie de free lancer. Se alguém precisa de energia, pode recorrer a elas, mas será obrigado a pagar o preço que o mercado livre estiver praticando. A Resolução da ANEEL 394, de 04/12/98, estabelece que os aproveitamentos com características de PCH são aqueles que têm potência entre 1 e 30 MW e área inundada até 3,0 km 2, para a cheia centenária. 112

113 46 113

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117 Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada. 47 Tenacidade corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura A ductilidade é a propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura. Materiais que suportam pouca ou nenhuma deformação no processo de ensaio de tração são considerados materiais frágeis. Ouro, cobre e alumínio são metais muito dúcteis. O oposto de dúctil é frágil, quando o material se rompe sem sofrer grande deformação. 117

118 Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada. 47 Tenacidade corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura A ductilidade é a propriedade que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura. Materiais que suportam pouca ou nenhuma deformação no processo de ensaio de tração são considerados materiais frágeis. Ouro, cobre e alumínio são metais muito dúcteis. O oposto de dúctil é frágil, quando o material se rompe sem sofrer grande deformação. 118

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120 CORREÇÃO! 48 Aplicando a equação da energia entre os pontos 1 e 2: Ponto 1: dentro do reservatório, um pouco antes da entrada da tubulação; Ponto 2: na tubulação de recalque antes do motor hidráulico; Se o reservatório for muito grande em relação ao diâmetro da tubulação, pode-se considerar a velocidade do ponto 1 igual a zero. 120

121 49 121

122 49 -Turbinas Axiais: o vapor flui axialmente de boquilhas dispostas radialmente em torno do rotor; - Turbinas Radiais: o vapor se dirige de dentro para fora radialmente, através de canais formados por palhetas móveis dispostas axialmente; - Turbinas Tangenciais: o vapor é conduzido tangencialmente ao rotor. 122

123 50 123

124 50 124

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126 51 Da mesma forma que para uma bomba centrífuga, a potência de uma bomba de deslocamento é dada por: W P Q Ou seja, pelo produto de P (diferença de pressão) por Q (vazão), dividido pela eficiência total. 126

127 51 Da mesma forma que para uma bomba centrífuga, a potência de uma bomba de deslocamento é dada por: W P Q Ou seja, pelo produto de P (diferença de pressão) por Q (vazão), dividido pela eficiência total. 127

128 52 128

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130 53 Os estágios de ação podem ser de dois tipos: estágios de pressão, também conhecidos como estágios Rateau, e estágios de velocidade, conhecidos como estágios Curtis. O estágio de pressão será composto por um arco de expansores e uma roda de palhetas móveis, se for o primeiro estágio da máquina, ou por um anel de expansores (roda de palhetas fixas) e uma roda de palhetas móveis, se for um estágio intermediário. O estágio de velocidade e composto de um arco de expansores, seguido por duas rodas de palhetas móveis, entre as quais há um arco de palhetas guias. 130

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