Módulo I – Fundamentos da Geração Termelétrica
Departamento de Engenharia 1 de 36
MÓDULO I
FUNDAMENTOS
DA
GERAÇÃO
TERMELÉTRICA
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Fundamentos da Geração Termelétrica, Notas de estudo de Tecnologia Industrial
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Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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MÓDULO I
FUNDAMENTOS
DA
GERAÇÃO
TERMELÉTRICA
ÍNDICE
- Introdução ............................................................................................................................................................................................
- 1.1. O Sistema Internacional de Unidades (SI)......................................................................................................................................
- Definições e Conceitos Básicos............................................................................................................................................................
- 2.1. Trabalho.........................................................................................................................................................................................
- 2.2. Energia ..........................................................................................................................................................................................
- 2.3. Massa ............................................................................................................................................................................................
- 2.4. Comprimento .................................................................................................................................................................................
- 2.5. Tempo ...........................................................................................................................................................................................
- 2.6. Força .............................................................................................................................................................................................
- 2.7. Volume Específico .........................................................................................................................................................................
- 2.8. Densidade......................................................................................................................................................................................
- 2.9. Temperatura ..................................................................................................................................................................................
- 2.10. Pressão........................................................................................................................................................................................
- 2.10.1. Pressão Atmosférica ...........................................................................................................................................................
- 2.10.2. Pressão Relativa .................................................................................................................................................................
- 2.10.3. Pressão Absoluta ................................................................................................................................................................
- As Leis da Termodinâmica .................................................................................................................................................................
- 3.1. Primeira Lei da Termodinâmica....................................................................................................................................................
- 3.2. Segunda Lei da Termodinâmica...................................................................................................................................................
- 3.2.2. O que é Entropia? .................................................................................................................................................................
- 3.2.3. O que é Entalpia?..................................................................................................................................................................
- 3.3. Terceira Lei da Termodinâmica....................................................................................................................................................
- 3.4. Lei Zero da Termodinâmica .........................................................................................................................................................
- 3.5. Temperatura de Saturação ..........................................................................................................................................................
- 3.6. Mudanças de Estado Físico .........................................................................................................................................................
- Ciclos Térmicos..................................................................................................................................................................................
- 4.1. O Ciclo Otto (Motor de Combustão Interna) .................................................................................................................................
- 4.2. O Ciclo Diesel (Motor Diesel) .......................................................................................................................................................
- 4.3. Ciclo Brayton................................................................................................................................................................................
- 4.4. Ciclo Rankine...............................................................................................................................................................................
- O Gás Natural ....................................................................................................................................................................................
- Turbina a Gás.....................................................................................................................................................................................
- 6.1. Princípio de Funcionamento.........................................................................................................................................................
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. DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS
2.1. TRABALHO
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, o trabalho executado nessa tarefa foi 10 x 2 = 20 joules.
2.2. ENERGIA
É a capacidade de produzir trabalho. Pode ser imaginada como a moeda de troca para o trabalho. No exemplo anterior, para produzir os 20 joules de trabalho, o seu organismo gastou 20 joules de energia. Naturalmente, a energia acumulada no seu organismo é muito maior. Mas, desse valor acumulado, 20 joules foram gastos no mencionado trabalho. Assim, podemos dizer que a execução de um certo trabalho sempre implica uma variação da energia de alguma coisa.
2.3. MASSA
Veja que a massa e o peso de um objeto são duas coisas muito diferentes, mesmo que seja comum confundi-los. Peso (força) depende de onde estamos, ou seja, da magnitude local da aceleração causada pela força da gravidade. Seu peso na Lua é aproximadamente seis vezes menor que na Terra, ainda que sua massa seja idêntica na Terra ou na Lua. Massa ( m ) é uma constante, definida em quilogramas ( kg ) e é definida como a massa de um certo cilindro de uma liga de platina-irídio guardado em Paris.
2.4. COMPRIMENTO
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. TEMPO
O tempo é medido em segundos ( s ). O segundo é definido como a duração de 9.192.631.770 ciclos da radiação associada a uma transição especificada do átomo de Césio.
Tabela 1 – Unidades para Massa, Comprimento, Tempo e Força
quantidade unidade símbolo unidade símbolo massa quilograma kg libra-massa lb comprimento metro m pé ft tempo segundo s segundo símbolo força newton N libra-força lbf
SI Inglês
2.6. FORÇA
A unidade no SI para a força é o Newton (N), e a 2ª lei de Newton diz que a força é igual massa vezes a aceleração.
F = m ⋅ a
O Newton é a força necessária para acelerar uma massa de 1 quilograma a uma taxa de 1 metro por segundo por segundo.
1 N = ( 1 kg ) ⋅( 1 m / s^2 ) = 1 kg ⋅ m / s^2
Exemplo:
Determinar o peso em Newtons de um objeto cuja massa é de 1000 kg, em um local na superfície da terra onde a aceleração devida a gravidade é igual a um valor definido como 9,80665 m/s^2.
2
2
90806 , 65 /
F kg m s
F kg m s
F m a
Exercício:
Determinar o peso em Newtons de um objeto cuja massa é de 1000 lb, em um local na superfície da terra onde a aceleração devida a gravidade é igual a um valor definido como 32,0 ft/s^2.
Hoje o Sistema Internacional tem como unidade padrão o K elvin , o qual se encontra assim 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 estados sólido, líquido e gasoso.
Para temperatura existe o emprego de duas escalas mais comumente empregadas no dia a dia, a Celsius e a Fahrenheit.
Existem diferentes escalas de temperatura. Abaixo é apresentada a equivalência de algumas escalas de temperatura, o que muito empregado em laboratório para efeito de estudos. Este estudo não tem o objetivo de mostrar a aplicabilidade das regras de conversão de temperatura.
Figura 1 – Escalas de temperatura
Na figura 1, 760 mmHg significa que esta sendo considerado a pressão de 1 atm para análise entre os sistemas de medição de temperatura.
As escalas Celsius e Fahrenheit são escalas relativas, ou seja, foram obtidas a partir de valores assumidos para as referências dos pontos fixos de congelamento e vaporização da água (a 1 atm).
As escalas Kelvin e Rankine são escalas absolutas, ou seja, são referenciadas ao zero absoluto termodinâmico, onde se atribuiu o valor zero para a temperatura onde se supõe ser 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 temperatura usamos o método de interpolação linear. Para isto usamos como referência as temperaturas 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
x F F C C
C C
x
100 x − 3200 = 180 × 80
100 x = 14400 + 3200
100 x = 17600
x =
x = 176 , 0 º F
Figura 2 – Conversão de temperatura
2.10. PRESSÃO
A atmosfera terrestre é composta por vários gases, que exercem uma pressão sobre a superfície da Terra. Essa pressão, denominada pressão atmosférica, depende da altitude do local, pois à medida que nos afastamos da superfície do planeta, o ar se torna cada vez 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 aproximadamente 1,0 m de comprimento, cheio de mercúrio (Hg) e com a extremidade tampada. Depois,
Para conversão da escala Celsius em escala Fahrenheit:
F = 1 , 8 C + 32
Para conversão da escala Fahrenheit em escala Celsius:
( ) 9
C = F − 32 ⋅
P – pressão, expressa em unidades de força por unidade de área. F – Força total em qualquer unidade. S – Área em qualquer unidade.
Pa kPa MPa pol
lib bar cm
kgf 1 2 ≅ 1 ≅ 14 , 22 2 ≅ 100. 000 = 100 = 0 , 1
Nos cálculos termodinâmicos usa-se a pressão absoluta. A maioria dos manômetros de pressão e vácuo mostra a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica, diferença esta denominada de pressão manométrica ou pressão relativa.
Pabs = Patm + P rel
Pabs – pressão absoluta. Patm – pressão atmosférica. Prel – pressão relativa.
2.10.1. PRESSÃO ATMOSFÉRICA
É a pressão exercida pela atmosfera terrestre medida em um barômetro. Ao nível do mar esta pressão é aproximadamente de 760 mmHg.
2.10.2. PRESSÃO RELATIVA
É a pressão medida em relação à pressão atmosférica, tomada como unidade de referência.
2.10.3. PRESSÃO ABSOLUTA
É a soma da pressão relativa e atmosférica, também se diz que é medida a partir do vácuo absoluto.
A figura 4 ilustra graficamente as pressões definidas acima. A pressão atmosférica padrão é definida como a pressão produzida por uma coluna de mercúrio exatamente igual a 760mm de altura.
A figura 5 mostra o efeito da elevação da temperatura em um ambiente confinado com uma determinada quantidade de ar. Com o aumento da temperatura provocado pelo fogo no fundo do recipiente, a uma expansão do ar, que provoca o deslocamento dos pesos sobre 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/cm^2 ;
- psi ou lb/in^2 ;
- atm;
- MPa;
- N/mm^2 ;
- bar.
Figura 4 – Esquema de variação da pressão
Vácuo é a pressão negativa abaixo da pressão atmosférica. Dentre as formas de geração de vácuo, as mais comuns são a utilização do gerador e da bomba de vácuo. Analisando o diagrama da figura 4, veremos que o vácuo máximo a ser atingido é de –1atm (ou ainda –760 mmHg ou –0,1 MPa , sempre relacionado à pressão atmosférica). Portanto, este é o ponto máximo que pode ser atingido por qualquer um dos equipamentos de geração de vácuo.
Figura 5 – Efeito da variação da temperatura no volume e pressão
3. AS LEIS DA TERMODINÂMICA
As variações das propriedades termodinâmicas durante a operação das máquinas térmicas são as transformações termodinâmicas, conhecidas como:
- Adiabático – conhecido também como isoentrópico ocorre quando não a troca de calor, 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
2 =^1^ atm cm
kgf 1
Linha de pressão nula
100% vácuo
Pressão relativa positiva maior que a pressão atmosférica
Pressão relativa negativa menor que a pressão atmosférica Pressão Absoluta
(^) Pressão relativa positiva lida no manômetro
3.2. SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
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 outro há o vácuo. Ao se retirar à separação, vê se o gás espalhar e ocupar todo o volume da caixa. 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 a situação original. Este fato nunca ocorrerá espontaneamente devido à segunda lei da termodinâmica.
Figura 7 – Processo irreversível naturalmente
Experimento 2) Têm-se duas canecas de alumínio, uma com 1 litro de água a 80oC e outra, 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 de 50 oC. O inverso pode ocorrer espontaneamente? O calor, espontaneamente, pode passar de 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 entropia desse sistema se constataria que a entropia das canecas separadas, com temperaturas desiguais, 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 no sentido inverso. Quando ocorre variação na entropia, o processo é irreversível.
Portanto, para saber se um processo pode ocorrer naturalmente (espontaneamente), ou não, tem se os seguintes passos:
Mede-se, de algum modo, a Entropia Total do objeto e de seus arredores (isto é, a entropia do "universo").
Deixa-se que o processo ocorra (pelo menos, mentalmente) e observa-se o que acontece com a Entropia Total durante o processo.
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 energia elétrica, pretende se aproveitar o calor que sai da geladeira para produzir vapor; esse vapor 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, pode se 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 acordo com a primeira lei. Mas nos cálculos efetuados não foram consideradas as perdas irreversíveis inerentes ao processo, como exemplo a perda de calor para o meio externo.
3.2.2. O QUE É ENTROPIA?
A entropia pode ser definida como uma quantidade aditiva. Isso significa o seguinte. Se um sistema A tem entropia SA e um sistema B tem entropia SB , um sistema C, composto dos sistemas A e B, deve ter entropia SC = SA + SB.
3.3. TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
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, é considerado como sendo Zero. Esse princípio é útil para estabelecer fórmulas que permitam cálculos termodinâmicos, definindo um parâmetro que permite a medição da Entropia de um sistema. Não será abordado neste curso. Para maiores esclarecimentos, veja a figura 1 acima.
3.4. LEI ZERO DA TERMODINÂMICA
Diz que, quando dois corpos têm a mesma temperatura que um terceiro corpo, implica que 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 segundo corpo tem uma temperatura igual a do terceiro corpo (termômetro), implica que os três tem a mesma temperatura.
3.5. TEMPERATURA DE SATURAÇÃO
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 determinada pressão chamada “pressão de saturação”. A figura 10 mostra a transformação da água em vapor superaquecido.
(1) Líquido sub-resfriado: A água, a pressão de 1atm, vaporiza a 100ºC. Qualquer temperatura abaixo desta define o estado sub-resfriado, desde que ela permaneça no estado líquido.
Ex.: Água com pressão de 1 atm e uma temperatura de 30ºC se encontra no estado líquido.
(2) Líquido saturado: Início da vaporização a uma determinada pressão. Água totalmente no estado líquido, sendo que qualquer quantidade adicional de energia fornecido provocará 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 energia acrescida para passar da fase de líquido para vapor.
(4) Vapor saturado: Final da vaporização com a mesma pressão em que se iniciou, nesta fase 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 temperatura de 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. MUDANÇAS DE ESTADO FÍSICO
Calor deve ser fornecido ou removido para a mudança de estado físico de uma substância. Neste caso, a temperatura permanece constante. A figura 11 abaixo dá o diagrama 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 variação da 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 é comumente 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 a temperatura 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 é denominada calor latente de fusão (Lf).
Líquido
Líquido Líquido
Vapor Vapor Saturado
Vapor Superaquecido
Sólido
Líquido
Temperatura Constante
Temperatura Constante
Vapor
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 o estudo 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). Linhas para 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 a temperatura é constante conforme já visto. Assim, no sentido de 2 para 3, a quantidade de vapor saturado aumenta e a de líquido diminui. O parâmetro é massa de vapor em relação à massa total e as curvas de constante mostram claramente a variação.
Em 3 temos apenas vapor saturado e, continuando o aquecimento com pressão constante, 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 vapor foi visto no diagrama temperatura x entropia para as transições líquido / vapor saturado e vapor saturado / vapor superaquecido para a água.
Os mesmos processos podem ser vistos num diagrama temperatura x entalpia. A Figura abaixo dá o gráfico aproximado para a água. Embora não sejam iguais, os aspectos de ambos 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 na região onde a o vapor saturado, menor será a quantidade de água em estado líquido, até atingir o valor de 100% de vapor saturado.
massatotal(água vapor saturado)
massadevaporsaturado
x =
Esse parâmetro pode ser entendido como um índice de qualidade do vapor. Para melhor esclarecer, 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 larga escala. É facilmente produzido por caldeiras.
Por sua vez, caldeiras podem ser projetadas para usar o combustível mais conveniente ou o mais disponível. A distribuição do vapor é tida como simples, usa basicamente tubulações. 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 presença de 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, ou seja,
x ≈ 0 , 95
Voltando ao diagrama da Figura 14 acima, as linhas azuis são exemplos de linhas de pressão 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 a água inicialmente está no ponto A, o aquecimento eleva sua entalpia até o máximo