Máquinas de Fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos

Aproveitamentos Termelétricos Introdução Fontes primárias de energia: óleo, carvão, fissão nuclear Produção de vapor e queima direta de gás Formas alternativas de geração de vapor: queima de bagaços de cana e cítricos, e uso de concentradores solares Usinas termelétricas convencionais: energia perecível Implantação em qualquer ponto de interesse = dispensam-se longas linhas de transmissão (diferente de hidrelétricas) Usinas termelétricas alternativas: fontes renováveis Bagaços: queimados no local de produção Solar: restrições de localização = linhas de transmissão

Aproveitamentos Termelétricos Introdução - Histórico Início: vapor Primeiro ciclo completo a vapor: James Watt (1750) Transformação de energia: 1882 - Pearl Street Station, construída por Tomas Alva Edison em Nova York: potência instalada útil = 150 kW Recorde mundial de potência para única unidade: 1300 MW (usinas nucleares) Instalações a gás: início Dificuldade em se viabilizar quantidade de ar necessária para combustão de elevada massa de gás  muito tempo: máquinas de combustão interna Máquinas de elevada potência: compressor – máquinas estacionárias e embarcadas em navios e aviões

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a vapor Processos impostos à água durante o ciclo térmico de realização de trabalho em termelétricas

Aproveitamentos Termelétricos 5 Usinas a vapor: Usinas Nucleares Reator nuclear Combustíveis:Urânio-235, 238, Plutônio-238, etc. Moderador: água leve, água pesada, CO2, etc. Material de controle: Cádmio ou boro, utilizado para finalizar as reações em cadeia.

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a vapor: Usinas Nucleares Combustível: urânio ou tório (urânio: mais usado) Forma de transferência de energia no reator: água sob pressão, água fervente, ou sódio líquido sob pressão Usina nuclear com água sob pressão: Ciclo secundário: realização de trabalho Gerador de vapor: vapor supersaturado - T>600oC P>3000kPa

Aproveitamentos Termelétricos 7 Usinas a vapor: Usinas Nucleares Usina nuclear com água sob pressão, porém com uso de dois ciclos de sódio. Primário: para aquecimento do sódio; Secundário: para geração de vapor.

Aproveitamentos Termelétricos 8 Usinas a vapor: Usinas Nucleares Usina nuclear com água fervente Vapor superaquecido (contaminado) atuando diretamente nas turbinas

Aproveitamentos Termelétricos Características Gerais 9 Usinas a vapor: Usinas Nucleares Características Gerais Operam com temperaturas elevadas; Exigem grandes volumes de água para resfriamento; Reduzida área para instalação da usina; Permite ser construída próxima ao centro de demanda. Exemplo Usina nuclear Grafenrheinfeld (Alemanha) Rio Reno Torres de resfriamento Reator nuclear Potência nominal: 1300 MW

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a vapor: Usinas Nucleares Exemplo: Usina Nuclear Mülheim-Kärlich (construtor BBC) Dados operacionais:

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a vapor: Usinas Convencionais Combustível: carvão ou óleo Mais recentemente: bagaço de cana, frutas e lixo Usina convencional por queima de óleo: 7.

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a vapor: Usinas Convencionais Exemplo: Usina de Piratininga (margens do canal do Rio Pinheiros) Potência instalada original: 470MW = queima de óleo Recentemente: susbstituição por queima de gás natural boliviano e da bacia de Campos Dados da Usina quando operava com óleo:

Aproveitamentos Termelétricos 13 Usinas a vapor: Usinas Convencionais Usina por queima de lixo ou biomassa

Aproveitamentos Termelétricos 14 Usinas a vapor: Usinas Convencionais Usina por queima de carvão mineral

Aproveitamentos Termelétricos 15 Usinas a vapor: Usinas Convencionais Usina por queima de carvão natural

Aproveitamentos Termelétricos 16 Usinas a vapor: Usinas Convencionais Usina termelétrica a vapor gerado por energia solar Características: operam apenas durante o dia e instaladas em regiões desérticas (intensa incidência solar)

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a gás Turbinas movidas pelos gases da combustão de mistura gás-ar Desenho esquemático do ciclo de uma usina termelétrica a gás:

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a gás Desenho esquemático do ciclo de um motor a gás compacto – aeronaves

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a gás Motor Rolls-Royce Turbina otimizada para Airbus A350 XWB family, civil Forma construtiva: ar frio envolve gases de combustão = menos ruídos

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a gás Comparação de operação: motor a gás e de combustão interna Operação contínua Operação cíclica

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a ciclo combinado gás-vapor Rejeição de gases de combustão em turbinas a gás = aquecimento da água = aumento de rendimento

Aproveitamentos Termelétricos Usinas a vapor Ciclo completo a vapor: James Watt (1750) Atualmente: tubulação liga 4 e 1 + válvula de retenção do vapor Turbinas: maior complexidade – trabalho transferido = variação de pressão e velocidade do vapor