Curso: Engenharia de Produção Disciplina: Sistemas Térmicos Prof. Luis Roberto de Mello e Pinto.

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1 Curso: Engenharia de Produção Disciplina: Sistemas Térmicos Prof. Luis Roberto de Mello e Pinto

2 Prof. Luis R.M.Pinto 2 Capítulo 3. Geração Termelétrica e Nuclear

3 Prof. Luis R.M.Pinto 3 3. Geração Termelétrica e Nuclear 3.1. Ciclo de Vapor

4 Prof. Luis R.M.Pinto 4 3.1. Ciclo de Vapor A grande maioria das instalações para geração de energia a partir da queima de um combustível (centrais térmicas) é o tipo a vapor, sendo que estas centrais trabalham de acordo com variações do ciclo termodinâmico de Rankine.

5 Prof. Luis R.M.Pinto 5 3.1. Ciclo de Vapor Figura 3.1. Esquema de uma central de geração elétrica com turbinas a vapor.

6 Prof. Luis R.M.Pinto 6 3.1. Ciclo de Vapor As plantas a vapor normalmente utilizam água como fluido de trabalho, e operam queimando combustíveis do tipo sólido, líquido ou gasoso. Os seus principais componentes são ilustrados na Figura 3.1. anterior, onde pode-se identificar:

7 Prof. Luis R.M.Pinto 7 3.1. Ciclo de Vapor A turbina a vapor; O condensador; A bomba de alimentação; A caldeira (gerador de vapor); A chaminé; Gerador elétrico; Sistema de resfriamento (torre de resfriamento).

8 Prof. Luis R.M.Pinto 8 3.1. Ciclo de Vapor Como pode ser observado na Figura 3.1, uma instalação a vapor pode ser dividida em quatro subsistemas principais, sendo estes:

9 Prof. Luis R.M.Pinto 9 3.1. Ciclo de Vapor Subsistema A: – Tem a função de transformar calor em trabalho mecânico de eixo. Constitui-se no ciclo termodinâmico propriamente dito;

10 Prof. Luis R.M.Pinto 10 3.1. Ciclo de Vapor Subsistema B: – Tem a função de fornecer calor para o subsistema A, por meio da vaporizando da água que passa através da caldeira. Opera segundo um reservatório térmico a alta temperatura. – O calor advém da queima de combustível fóssil, ou nos casos de plantas nucleares, a origem da energia é uma reação nuclear controlada que ocorre no prédio isolado do reator.

11 Prof. Luis R.M.Pinto 11 3.1. Ciclo de Vapor Subsistema C: – Opera segundo um reservatório térmico a baixa temperatura, absorvendo o calor rejeitado pelo subsistema A; – O Vapor que deixa a turbina passa pelo condensador, onde se condensa na saída dos tubos que conduzem água de resfriamento.

12 Prof. Luis R.M.Pinto 12 3.1. Ciclo de Vapor Subsistema C: – A água de resfriamento é enviada para a torre de resfriamento, onde a energia extraída do condensador é jogada na atmosfera. – A água de resfriamento é então recirculada no condensador. – Uma dificuldade para instalação de plantas termelétricas a vapor é o acesso a quantidades de água para resfriamento, além da dificuldade para garantir a não poluição tanto para combustíveis fósseis quanto para combustíveis nucleares.

13 Prof. Luis R.M.Pinto 13 3.1. Ciclo de Vapor Subsistema D: – Neste subsistema o trabalho mecânico, produzido no eixo da turbina, é convertido em energia elétrica, ou utilizado para acionamento direto de uma carga (compressor, bomba, etc.).

14 Prof. Luis R.M.Pinto 14 3. Geração Termelétrica e Nuclear 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica:

15 Prof. Luis R.M.Pinto 15 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Os geradores elétricos são os elementos responsáveis pela transformação da energia mecânica, fornecida em seu eixo por uma máquina primária, em energia elétrica, disponível em seus terminais. Tal conversão se dá através de fenômenos eletromagnéticos, basicamente os descritos pela lei de Faraday-Lenz, que demonstra a geração de uma tensão induzida quando um enrolamento é submetido à influência de um campo magnético variável. Esta variação pode se dar no tempo ou no espaço.

16 Prof. Luis R.M.Pinto 16 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: A lei de Farady-Lenz diz que se há um movimento relativo de um condutor imerso em um campo magnético, dar-se-á origem a uma tensão. Matematicamente, esta lei pode ser escrita da seguinte forma: Nesta expressão, N é o número de espiras do condutor, Φ é o campo magnético e o termo dΦ/dt expressa a taxa de variação do fluxo em que o condutor é submetido ao longo do tempo.

17 Prof. Luis R.M.Pinto 17 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Como observado anteriormente, esta variação é relativa, podendo ser dada no tempo ou no espaço.Com isto, pode-se ter as seguintes situações: – O condutor pode estar parado, submetido a um campo de intensidade constante que se movimenta no espaço; – O condutor pode estar parado, submetido a um campo de intensidade variável, porém estático no espaço; – O condutor está em movimento, submetido a um campo de intensidade constante que se movimenta no espaço; ou, – O condutor está em movimento, submetido a um campo de intensidade variável, porém estático no espaço;

18 Prof. Luis R.M.Pinto 18 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Estas quatro situações resultam em um movimento relativo entre campo e condutor, expresso pela taxa de variação (d/dt), necessária para a indução de uma tensão nos terminais do condutor. A figura 3.2.1. ilustra o exposto: Figura 3.2.1. – Condutor imerso em um campo magnético

19 Prof. Luis R.M.Pinto 19 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Em uma outra situação a espira gira em torno de seu eixo dentro do campo magnético, como mostrado a seguir Figura 3.2.2 – Espira rotativa imersa em um campo magnético

20 Prof. Luis R.M.Pinto 20 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: A quantidade de linhas de fluxo que efetivamente atravessa a espira irá depender da inclinação da espira a cada momento. Figura 3.2.3 – Espira rotativa imersa em um campo magnético

21 Prof. Luis R.M.Pinto 21 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: A tensão gerada neste modelo terá um aspecto senoidal e poderá ter um valor máximo e um eficaz conforme abaixo:

22 Prof. Luis R.M.Pinto 22 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Constituição das máquinas geradoras: – Construtivamente os geradores síncronos são constituídos por dois componentes físicos bem definidos, um girante, acoplado mecanicamente ao eixo da turbina, denominado rotor, e outro, mais externo, fixo, montado na carcaça do gerador, que é denominado armadura ou estator.

23 Prof. Luis R.M.Pinto 23 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Figura 3.2.4 – Influência da rotação sobre a freqüência resultante.

24 Prof. Luis R.M.Pinto 24 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Figura 3.2.5 – Influência do número de pares de pólos sobre a freqüência resultante.

25 Prof. Luis R.M.Pinto 25 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Figura 3.2.6 – Rotor de máquinas síncronas

26 Prof. Luis R.M.Pinto 26 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Figura 1.4.1.2 – Rotor de turbogerador

27 Prof. Luis R.M.Pinto 27 3.2. Subsistema D: Geração de Energia elétrica: Figura 3.2.7 – Rotor de hidrogerador