Companhia Energética Manauara ::: A maneira correta de gerar energia elétrica - Manaus - Brasil

CONCEITOS FUNDAMENTAIS DE TERMODINÂMICA

Temperatura e Escalas de Temperatura

A temperatura é um tipo de conceito que é difícil de ser definido com rigor, apesar de todos possuirmos um conceito primitivo do seu significado. Para isso, as noções elementares de “quente” e “frio” podem auxiliar no seu entendimento. A quantificação da temperatura é realizada com o emprego de escalas de temperaturas, sendo que as escalas utilizadas com maior frequência são a escala Fahrenheit, °F, e a Celsius, °C.

As duas escalas acima definidas são relativas, pois dependem de valores do estabelecimento de temperaturas de referência, tais como o ponto triplo da água. É também possível que se defina uma escala absoluta de temperatura, para o qual existe um zero absoluto. A escala absoluta de temperatura associada com a escala Fahrenheit é a Rankine, enquanto que a escala absoluta associada com a Celsius é a Kelvin.

Pressão

Pressão é a componente normal da força por unidade de área que age em um fluido em repouso e é igual em todas as direções em torno de um ponto do meio fluido.

A pressão de um sistema pode ser uma pressão absoluta ou pressão relativa. Os adjetivos absoluta e relativa ou manométricos que acompanham o termo pressão dependem do instrumento que foi utilizado para medir o seu valor.

Uma atmosfera padrão vale 760 mmHg (milímetros de coluna de mercúrio) e em outras unidades ela vale:

1 atmosfera padrão

= 760 mmHg (milímetros de coluna de mercúrio a 0 °C),

= 29,92 inHg (polegadas de coluna de mercúrio a 0 °C),

= 1,01325 x 105 N/m2 (Newton por metro quadrado),

= 101,325 kPa (quilopascal),

= 1,01325 bar (bar),

= 14,696 lbf/in2 ou psig (libra-força por polegada quadrada),

= 760 Torr (Torricelli).

No sistema internacional 1 bar vale 105 N/m2, sendo que a unidade N/m2 recebe o nome de pascal ou, abreviadamente, Pa. Nesse texto, será usado preferencialmente um múltiplo da unidade pascal, qual seja o quilopascal, ou, kPa (103 N/m2 = 1 kPa). Alternativamente, a unidade bar também poderá estar presente. A vantagem de se utilizar a unidade bar é que 1 bar vale aproximadamente 1 atmosfera padrão.

Volume Específico e Densidade

O volume específico é a razão entre o volume, V, ocupado por uma dada substância e a sua massa, m. A densidade é o inverso do volume específico. Às vezes o que este texto chama de densidade, em outros lugares é conhecido por massa específica. Entretanto, face à grande difusão e uso corrente do termo densidade, o mesmo será adotado preferencialmente.

Os símbolos gregos v e p serão usados para designarem o volume específico e a densidade, na ordem. No sistema internacional, a unidade do volume específico é m3/kg, e a unidade da densidade é o seu recíproco.

Energia Interna e Entalpia

A energia interna, U, é a forma de energia acumulada pela substância devido ao seu movimento ou agitação molecular e às forças de interação moleculares. A energia interna específica, u, é definida como a energia interna de uma substância por unidade de massa. As unidades da energia interna e da energia interna específica no sistema internacional de unidades - SI, são J (joule) e J/kg (joule por quilograma), respectivamente.

A entalpia, H, é a propriedade que combina as propriedades energia interna, pressão e volume. Esta propriedade aparece em associação com análises que envolvem volume de controle e fluxos mássicos, tais como ocorrem nas máquinas térmicas. Analogamente à energia interna, pode-se definir a entalpia específica, h, ou seja, a entalpia por unidade de massa da substância.

As unidades de entalpia e entalpia específica no sistema internacional de unidades – SI, são J e J/kg.

CICLOS TERMICOS

A sociedade moderna consome grande quantidade de energia. Como consequência, há a necessidade de fornecimento constante para satisfazer as necessidades dessas sociedades industriais.

Os engenheiros e as pessoas envolvidas no processo de decisão das políticas energéticas devem considerar alguns fatores antes de se decidirem por um ou outro tipo de modos de obtenção dessa energia. Entre eles devem considerar:

Fonte de Energia - Dentre as fontes de energia, podem ser citadas a energia química armazenada em carvão, madeira, óleo e gás natural, entre outros, e a energia nuclear, bem como a energia potencial das águas, e usinas termelétricas. A radiação solar também consiste noutra fonte, tanto para conversão direta como para aquecimento. Evidentemente, a decisão vai se basear na disponibilidade de tal fonte, os custos envolvidos e a política ambiental vigente. Nesse módulo são considerados somente os ciclos térmicos que usam calor como forma de energia decorrente da queima de um combustível fóssil.

Rejeitos Térmicos - Em virtude da segunda lei da termodinâmica, parte do calor absorvido pelos ciclos de potência para a produção de trabalho útil deve ser rejeitado para o meio ambiente. Geralmente, esses “absorvedouros” de calor são formados por rios, lagos, o mar e a atmosfera, lembrando que o rejeito de calor para esses meios constitui a poluição térmica dos mesmos. Evidentemente, considerações ambientais atuais estão cada vez mais exigentes com o que fazer com os rejeitos térmicos. Além disso, não é menos preocupante o problema do efeito estufa causado pelos gases resultantes do processo de combustão de combustíveis fósseis, como é o caso do CO2.

Uma contínua obtenção de energia útil do tipo elétrica, por exemplo, pode ser obtida pela transformação de calor em trabalho. Nesse caso a máquina de transformação de calor em trabalho útil é chamada de máquina térmica. Muitas máquinas térmicas operam segundo um ciclo termodinâmico, o qual é formado por três componentes principais:

* fonte ou reservatório térmico de fornecimento de calor de alta temperatura, TH;

* absorvedouro ou reservatório térmico de rejeição de calor de baixa temperatura, TL; e

* a própria máquina de conversão de calor em trabalho útil ou líquido, Wliq.

No caso de produção de energia elétrica, há ainda a necessidade de um conversor do trabalho útil em energia elétrica.

O transporte de energia entre os reservatórios térmicos e a máquina térmica deve ser feito por meio de um fluido de trabalho. O fluido mais usado nas centrais termelétricas e centrais nucleares é a água. Em algumas situações especiais, metais líquidos podem ser usados em certas usinas nucleares e algumas termelétricas. Também, em outros tipos de usinas nucleares empregam-se o gás hélio.

Como a conversão de calor em trabalho ocorre de forma contínua, geralmente os ciclos de conversão são também chamados de ciclos de potência (potência refere-se à taxa de conversão de energia na unidade de tempo, ou seja, joules/s, ou watts).

O ciclo de potência em que o fluido muda de fase (evaporação e condensação) é chamado de ciclo a vapor de potência. No caso em que o fluido de trabalho permanece na fase gasosa, o ciclo recebe o nome de ciclo a gás de potência.

Finalmente, a seleção por um tipo específico de ciclo vai depender de uma série de fatores, entre eles: as temperaturas e pressões envolvidas, os reservatórios térmicos e suas respectivas temperaturas disponíveis, as potências requeridas e os custos de implantação, manutenção e de operação envolvidos. Evidentemente, há a necessidade de uma análise termo econômica para cada caso em particular, antes que se decida por um ou outro tipo de ciclo.

A seguir são apresentados alguns ciclos de potência normalmente usados. Porém, primeiramente é revisto o ciclo térmico de Carnot.

CICLO DE CARNOT

Suponha que, por um dado processo qualquer de combustão (fusão nuclear, ou outro meio de aquecimento) calor seja produzido e fique disponível para ser usado a uma dada temperatura TH. Também, suponha que existe um reservatório térmico de baixa temperatura TL para o qual calor possa ser rejeitado.

A pergunta que naturalmente ocorre é: “Qual é a máxima conversão possível do calor disponível àquela alta temperatura TH em trabalho útil? Claro, considerando também que o rejeito de calor se dá à temperatura TL.” Colocada essa questão de forma alternativa, deseja-se saber qual deve ser a máxima eficiência térmica teórica do ciclo.

Define-se rendimento ou eficiência térmica como sendo a razão entre “o efeito desejado e valor pago para produzir esse efeito”.

Para o ciclo de Carnot, ainda é possível mostrar que a razão entre os fluxos de calor que aparece na equação (3) é dado pela razão entre as temperaturas absolutas dos reservatórios térmicos.

Essa assertiva tem conseqüências muito relevantes. Primeiramente, ela informa que a máxima eficiência térmica está associada tão somente com a razão entre as temperaturas dos reservatórios térmicos. Em segundo lugar, a única possibilidade de ter uma máquina térmica de eficiência de 100% é se a máquina rejeitasse calor para um reservatório que estivesse a zero grau absoluto.

Tal reservatório não existe naturalmente no planeta, de forma que somente máquinas com menos de 100% de eficiência de conversão de calor em trabalho podem ser construídas (no entanto, no espaço existe a possibilidade teórica de se obter máquinas com eficiências térmicas bem maiores, visto que é possível usar o espaço como reservatório térmico de baixa temperatura, cuja temperatura equivalente está bem próxima de 0 K).

Em geral, os reservatórios térmicos naturais mencionados acima (rios, lagos, mar e a atmosfera) têm uma temperatura em torno de 260 a 320 K, variantes ao longo do ano. Para efeitos ilustrativos, pode-se assumir um valor de 300 K. Dessa forma, a máxima eficiência térmica agora só é limitada pela temperatura do reservatório de temperatura mais elevada.

Definida a eficiência térmica de um ciclo, a questão seguinte é: Qual é o ciclo que pode, em teoria, alcançar a máxima eficiência térmica, dadas as condições de reservatório de temperaturas constantes? A resposta a essa questão deve ser respondida passo a passo.

O fluido de trabalho recebe calor do reservatório de alta temperatura de forma isotérmica. Igualmente, o fluido de trabalho cede calor para o reservatório de baixa temperatura também de forma isotérmica.

Atrito, trocas de calor a temperaturas finitas e expansão não-adiabática são formas de perdas que dão origem a irreversibilidades no ciclo, efeitos altamente indesejáveis. Sem entrar em muitos detalhes, o ciclo teórico que permite obter a máxima eficiência térmica é o ciclo térmico de Carnot, o qual é formado por quatro processos fundamentais:

1) Troca de calor isotérmica reversível à temperatura elevada TH.
2) Realização de trabalho devido à expansão do fluido de trabalho por um processo adiabático e reversível (isto é, isoentrópico)
.3) Rejeito de calor isotérmico reversível à baixa temperatura TL
4) Compressão do fluido de trabalho por um processo adiabático e reversível (isoentrópico).

Nos processos (2) e (4) acima, surgiu o conceito de processo adiabático e reversível. Tal processo recebe o nome de processo isoentrópico e refere-se ao processo sofrido pelo fluido de trabalho sem que a sua entropia seja alterada. Isso significa que o máximo trabalho é extraído pela máquina térmica do fluido de trabalho.

O ciclo de Carnot é uma teorização de um ciclo em que se poderia obter a máxima eficiência térmica, como já dito, e não está associado com qualquer máquina, equipamento ou propriedades do fluido de trabalho.

No diagrama temperatura - entropia, o ciclo de Carnot é representado por um retângulo.

1 – 2 Processo isotérmico reversível de fornecimento de calor à TH.

2 – 3 Processo de expansão adiabático e reversível (isoentrópico).

3 – 4 Processo isotérmico reversível de rejeição de calor à TL, e

4 – 1 Processo de compressão adiabático e reversível (isoentrópico).

Uma vez mais é importante frisar que o ciclo de Carnot é teórico. Entretanto, percebe-se que é possível na prática se aproximar desse ciclo, graças ao fato de que as substâncias simples, como a água, mantém a temperatura constante durante um processo de mudança de fase. Assim, utiliza-se essa propriedade para tentar reproduzir no mundo real as vantagens do ciclo de Carnot, isto é, máxima conversão de calor em trabalho, dados dois reservatórios térmicos.

Acrescente às características de constância de temperatura durante a mudança de fase, equipamentos térmicos teóricos que permitem realizar os processos ideais indicados acima. Com isso, chega-se finalmente ao ciclo de Carnot, agora ilustrado no diagrama T-s de uma substância como a água e os equipamentos teóricos necessários.

CALOR é adicionado ao ciclo no processo 1-2 à temperatura constante TH. Como bem sabido, pressão e temperatura permanecem inalterados nesse processo em virtude da mudança de fase do fluido de trabalho. O equipamento empregado para isso é o gerador de vapor.

No processo 2-3 ocorre uma expansão adiabática e reversível (isoentrópica) com a realização de trabalho numa turbina ideal. A rejeição de calor ocorre no condensador trazendo o fluido de trabalho do estado 3 para o estado 4 através da condensação do vapor. Esse processo ocorre a pressão e temperatura constantes.

Finalmente, uma bomba ideal elevaria a pressão e temperatura da mistura bifásica do estado 4 para o estado 1 de forma adiabática e reversível, fechando o ciclo. Na prática, existem dificuldades tecnológicas de se obter o ciclo de Carnot, como serão vistas adiante. Por isso define-se o chamado ciclo de Rankine.

CICLOS DE RANKINE

O ciclo de Rankine contorna algumas dificuldades do ciclo de Carnot para a utilização prática em ciclos de potência. Há diversas variâncias do ciclo, começaremos pelo ciclo de Rankine simples.

2.1 – Ciclo de Rankine Simples

O ciclo de Rankine simples ou elementar é uma simples modificação do ciclo de Carnot no que tange o processo de bombeamento. Com efeito, dificuldades tecnológicas impedem que uma bomba seja construída para fins práticos para bombear uma mistura bifásica de líquido e vapor, como é o caso do estado 4. Assim, a modificação mais simples que se necessita introduzir no ciclo do Carnot é a condensação completa do fluido de trabalho, trazendo o estado 4 para a curva de saturação.

Ainda com referência a essa figura, o estado final a fim do bombeamento do líquido é o estado 5. Agora, a segunda modificação do ciclo é introduzida, ou seja, o processo de adição de calor que no ciclo de Carnot era isotérmico, se torna isobárico (pressão constante). Esse processo ocorre no gerador de vapor, tendo o líquido de entrada no estado 5 sofrido aquecimento até atingir a temperatura de saturação TH e deixando o Gerador de vapor na condição de vapor saturado seco no estado 2. Todos esses processos são a pressão constante. Isso porque considera-se que a queda de pressão na tubulação por atrito seja desprezível.

Em virtude da ocorrência de uma redução na temperatura média de adição de calor no ciclo de Rankine quando comparado com o ciclo de Carnot, haverá uma redução da eficiência térmica do ciclo.

Os equipamentos para a realização do ciclo de Rankine, continuam ainda os mesmos que o de Carnot.

Convém ressaltar, que na bomba, o trabalho específico ainda pode ser estimado de uma forma mais simples, já que o líquido é praticamente incompressível, isto é, o volume específico é constante.

2.2 – Ciclo de Rankine com Superaquecimento

No ciclo de Rankine, o vapor saturado seco é expandido na turbina isoentrópica. Durante esse processo, ocorre a condensação do vapor e na saída do equipamento uma mistura de líquido e vapor estará presente. Com isso, outro problema adicional ocorre: a presença de uma quantia muito grande de gotículas de líquido vai causar a erosão das pás das turbinas. Como regra geral, deve-se evitar o título do vapor que deve ficar sempre acima de 90%.

Para contornar esse problema, é efetuada uma segunda modificação no ciclo de Rankine simples. Trata-se de superaquecer o vapor na saída do gerador de vapor antes de expandi-lo na turbina. E o equipamento utilizado para esse fim é o superaquecedor..

Evidentemente, aquecendo o fluido de trabalho a temperaturas mais elevadas, será obtido um rendimento térmico superior ao ciclo sem superaquecimento (temperatura média de trabalho mais elevada), sem ter que aumentar a pressão de trabalho. Entretanto, existe evidentemente o problema e o custo adicional do equipamento superaquecedor.

2.3 – Ciclo de Rankine com Reaquecimento

Nesta configuração pretende-se aproveitar a vantagem de trabalhar com pressão e temperatura elevadas e, ainda, evitar uma quantia excessiva de líquido nos estágios de baixa pressão da turbina.

O fluido de trabalho sofre um novo processo de reaquecimento no reaquecedor, em num processo a pressão constante até a temperatura T6 igual à temperatura máxima do ciclo. O fluido, então, retorna para o estágio de baixa pressão da turbina (ou para a turbina de baixa pressão) para continuar a expansão até a pressão do condensador (estado 7).

2.4 – Ciclo de Rankine Regenerativo

O ciclo de Rankine regenerativo é uma tentativa de aproximar o máximo possível da eficiência de Carnot. Considere os ciclos de Carnot e de Rankine simples. O fluido de trabalho entra na fase líquida no gerador de vapor no estado 2, após ser bombeado isoentropicamente.

Como já discutido, a eficiência térmica do ciclo de Rankine é menor que a de Carnot porque o fluido de trabalho começa a receber calor no gerador de vapor a uma temperatura média menor (entre T2 e T3) que a máxima disponível (T3 = T2').

No ciclo de Rankine regenerativo ideal, na saída da bomba o líquido circula na turbina na direção oposta ao do movimento do vapor de forma que ocorre uma troca de calor entre o vapor em expansão e o líquido comprimido.

Em termos práticos, não é possível utilizar esse ciclo regenerativo ideal por diversos motivos. O primeiro deles refere-se a impossibilidade de uma transferência de calor reversível entre o vapor em expansão com a água de alimentação do gerador de vapor. Também, verifica-se que vai ocorrer um aumento da presença de líquido na turbina em virtude da transferência de calor, o que é indesejável pelo problema de erosão das pás, como já mencionado.

A técnica usual de utilização das vantagens do ciclo regenerativo consiste em extrações do vapor de água em diversos estágios da turbina e misturá-lo com a água de condensação.

Para ilustrar essa técnica, considere o caso de uma única extração. Uma parcela do vapor de água é extraído no estado 6, indicado na figura. Esse vapor é, então, misturado com a água condensada proveniente da primeira bomba que está no estado 2. Espera-se que a razão entre a vazão mássica de vapor extraído e de água condensada seja suficiente para que o estado 3 seja de líquido saturado.

Um ciclo regenerativo com três aquecedores de água de alimentação.

2.5 – Perdas no Ciclo de Rankine

a) Turbina não é isoentrópica

Como a turbina não é isoentrópica, o caminho percorrido durante a expansão do vapor é irreversível. Assim define-se o rendimento isoentrópico da turbina entre as pressões de entrada (1) e saída (2), para a temperatura (T1).

b) Bomba não é isoentrópica

De forma análoga o caminho percorrido durante a compressão é irreversível.

Outras perdas são efeitos de atrito na tubulação (queda de pressão) e trocas de calor não isotérmicas (caldeiras e condensadores).

TIPOS DE TURBINAS A GÁS

Turbinas Industriais - Características

a) São as mais empregadas para a produção de potência (0,5 a 250 MW).

b) São grandes e pesadas, já que geralmente não há restrições quanto a tamanho ou peso.

c) São menos eficientes, porém de menor custo por quilowatt gerado que as aeroderivativas.

d) Podem atingir temperaturas máximas de até 1.260 oC.

e) Taxas de compressão podem atingir até 18:1 em novas unidades.

f) Usam uma variedade maior de combustíveis do que as aeroderivativas.

Turbinas Aeroderivativas

a) Têm sua origem na indústria aeronáutica.

b) As maiores turbinas aeroderivativas estão na faixa de potência entre 40 e 50 MW.

c) Usam componentes mais leves e mais compactos.

d) São mais eficientes (até 40%), com taxas de compressão de 30:1.

e) Investimentos mais elevados.

Características gerais

Combustíveis – Podem operar numa grande variedade de combustíveis, incluindo gás natural, gás de processo, gás de aterro, óleo combustível, entre outros.

Faixa de potência – Entre 0,5 e 250 MW. Microturbinas, no entanto, podem ter potências tão baixas quanto 30 kW.

Vida útil – 25.000 a 50.000 horas com manutenção adequada.

Rejeitos Térmicos – Turbinas a gás produzem produtos de combustão de alta temperatura (430 – 600 oC). Esse rejeito térmico serve para, por meio de uma caldeira de recuperação, produzir vapor a alta temperatura e pressão para acionar um ciclo de vapor de forma combinada.

Emissões – Muitas turbinas a gás operando com gás natural podem produzir Nox abaixo de 25 ppm e CO na faixa de 10 a 50 ppm.

Carga parcial – São relativamente sensíveis a operação com cargas parciais.

Componentes principais

Compressor – axial de múltiplos estágios.

Regenerador – recupera parte do calor que seria perdido pelos gases de escape para aquecer o ar comprimido que entra na câmara de combustão.

Turbina – transforma a energia (entalpia) dos produtos de combustão em trabalho mecânico de eixo através da expansão desses gases numa série de bocais, estacionários e girantes.

Outros Componentes

a) Tomada de ar – tomada de ar dotada de filtros. Também podem ter sistemas de resfriamento (resfriamento evaporativo ou outro meio) para diminuição da temperatura de entrada do ar (aumento de eficiência).

b) Sistema de exaustão – os produtos de combustão que deixam a turbina ou são diretamente dirigidos para a chaminé, e posteriormente para a atmosfera, ou primeiramente passam pelo regenerador para pré-aquecer o ar comprimido antes da combustão. Em casos de ciclos combinados, os produtos de combustão são direcionados para a caldeira de recuperação a fim de produzir vapor.

c) Gerador elétrico – equipamento que converte energia mecânica produzida pela turbina em energia elétrica.

d) Sistema de partida – existem três sistemas de partida: (1) motor diesel; (2) motor elétrico; (3) sistema estático de partida. Os sistemas (1) e (2) usam um acoplamento por meio de embreagem. A turbina é acionada ou pelo motor diesel ou pelo elétrico até que a rotação e condições operacionais sejam alcançados. A partir daí realiza-se o desacoplamento. No sistema estático de partida, o gerador funciona de forma reversível e atua como um motor elétrico para acionar a turbina até que o regime seja estabelecido. Após o quê é revertido para sua função normal.

e) Sistema de combustível – muitas turbinas são projetadas para trabalhar tanto com combustíveis líquidos (óleo combustível), como gasosos (gás natural). Os combustíveis devem ser injetados na câmara de combustão, na pressão de trabalho e vazões controladas. Para isso, é preciso um sistema complexo de bombas, compressores, válvulas e controladores.

Sistemas auxiliares

* Sistemas de óleo lubrificante para os mancais e acionamentos hidráulicos diversos;

* Sistemas de resfriamento de componentes da turbina por meio de ar;

* Controle de emissões – Sistemas de monitoramento e controle de emissões, sobretudo CO e NOx.

CICLO BLAYTON SIMPLES

Este ciclo traz como principais simplificações o fato de o fluido de trabalho não mudar: é sempre ar atmosférico com propriedades constantes. O processo de combustão em que ocorre a transformação do ar em produtos de combustão é substituído por um processo de adição de calor. Além disso, os processos de admissão e exaustão são eliminados. Trata-se, portanto, de uma massa fixa de ar que circula pela máquina.

O processo de exaustão/admissão é substituído por um processo de rejeição de calor a pressão atmosférica.

Eficiência ou rendimento térmico ( )

Note que T3 é a máxima temperatura do ciclo e T1, a menor temperatura (ambiente, geralmente).

Sendo que K é a razão entre calores específicos e vale 1,4 para o ar atmosférico.

Como visto o rendimento ou eficiência térmica, , só depende da taxa ou razão de compressão, r= p2/p1.

Contrariamente ao caso do ciclo de Rankine, a análise simples do rendimento térmico não é suficiente para determinar as melhores condições operacionais. Isto porque uma parte considerável do trabalho produzido pela turbina é consumida pelo compressor. Assim, é interessante verificar as condições em que o sistema turbina-compressor produzem máximo trabalho líquido.

A condição de maximização do trabalho é obtida pela derivação da expressão do trabalho como função de r, e igualada a zero para razões de temperaturas fixas T3/ T1.

O Ciclo BRAYTON Simples com ineficiências

a) Perdas – As ineficiências ocorrem porque tanto o compressor, como a turbina não são máquinas ideais (isoentrópicas).

b) Comportamento geral – Considerável parte do trabalho gerado pela turbina é consumido para acionar o compressor, podendo chegar de 40 % a 80 % do valor produzido pela turbina. De forma que se as eficiências caírem para valores muito baixos (60%), nenhum trabalho líquido será produzido pela turbina.

c) Eficiência ou rendimento isoentrópico do compressor.

d) Eficiência ou rendimento isoentrópico da turbina apenaS.

e) Trabalho real do compressor

f) Trabalho real na turbina apenas

g) Trabalho líquido real na turbina

A razão ou taxa de compressão para o máximo trabalho considerando rendimentos das máquinas, e novo rendimento térmico do ciclo considerando rendimentos das máquinas.

O Ciclo Brayton com Regenerador ou Recuperador de Calor

Uma das primeiras coisas que ressaltam do ciclo de Brayton simples é que os gases de saída saem com uma temperatura relativamente elevada. Por outro lado, calor tem que ser fornecido ao ciclo por combustão. Assim, o ciclo de Brayton com regeneração ou recuperação aproveita o calor, que de outra forma seria liberado para a atmosfera, para aquecer o ar comprimido imediatamente antes da câmara de combustão.

O regenerador ideal é um trocador de calor de contra-corrente. É possível ganhar uma parcela de energia com a troca de calor ocorrida no regenerador.

Parâmetros de Especificação e de Desempenho

a) Condições ISO – International Standards Organization

1- Temperatura (bulbo seco) do ar: 15 oC (59 oF)

2- Umidade relativa do ar: 60%

3- Pressão ambiente normal: 101,325 kPa (14,7 psia)

b) Capacidade de base (base rating) – desempenho máximo da turbina em operação contínua que pode ser mantido por 6.000 horas.

c) Capacidade de pico (peak rating) – desempenho máximo da turbina que pode ser mantido por um período contínuo limitado (2.000 horas).

d) Taxa específica de calor (heat rate) – é o consumo de energia térmica necessária para produzir 1 kWh (quilowatt-hora) de energia elétrica. Geralmente, a taxa específica de calor, ou heat rate, é fornecida pelo fabricante em unidades de Btu/kWh.

e) Taxa de produção de energia térmica - (calor) é dada pelo produto da vazão mássica de combustível pelo seu poder calorífico inferior.

f) Temperatura de admissão – temperatura (bulbo seco) do ar de admissão no compressor.

g) Temperatura de exaustão – temperatura média dos produtos de combustão que deixam a turbina. Menores temperaturas de exaustão são indicações de melhores eficiências térmicas. Como regra geral turbinas industriais apresentam Tsaída entre 500 oC e 600 oC e turbinas aeroderivadas entre 430 oC e 500 oC.

h) Razão de pressões ou taxa de compressão – razão entre a pressão do ar na saída do compressor e na entrada. Em princípio, quanto mais elevada a taxa de compressão, mais elevados são os rendimentos. Na prática, custos e condições operacionais impedem valores muito elevados. Alguns dados: turbinas industriais na faixa 10 a 18 e aeroderivativas na faixa de 18 a 30.

i) Temperatura de admissão na turbina – também conhecida como turbine firing temperature. É a temperatura média dos produtos de combustão que entram no estágio da turbina, após a câmara de combustão. Temperaturas mais elevadas implicam em maiores rendimentos, sendo o máximo valor limitado pelas propriedades metalúrgicas dos materiais e processos de resfriamento das pás das turbinas. Turbinas de última geração possuem temperatura de admissão de até 1.260 oC.

j) Vazão dos gases de exaustão – é a vazão mássica dos gases que deixam a turbina. Essencialmente é a soma das vazões de ar e de combustível e de vapor de água, caso haja injeção de vapor.

k) Fluxo de energia térmica de exaustão – (exaust heat) em kJ/h ou Btu/h é o fluxo de energia térmica dos produtos de combustão que deixam a turbina. É o fluxo de entalpia total. Pode ser obtido de um balanço térmico da turbina considerando os insumos energéticos e a eficiência térmica da máquina.

l) Perdas de carga – geralmente fornecida em cmH2O (ou inH2O). Medida das perdas de carga na região de admissão do compressor (perda de carga de admissão) ou na região de descarga (perda de carga de descarga).

Parâmetros que Afetam o Desempenho

a) Condições ambientes – A turbina é afetada pela mudança das condições ambientes. São influências da temperatura de admissão, umidade absoluta, e pressão barométrica.

b) Combustíveis – o tipo de combustível também afeta o desempenho de turbinas. Gás natural e óleos combustíveis leves são os mais usados. Também pode-se empregar gás de refinaria, propano, combustíveis sintéticos, entre outros.

c) Carga parcial – quando potências menores que a máxima são geradas, a potência produzida pode ser diminuída pela diminuição da temperatura dos produtos de combustão na entrada da turbina provenientes da câmara de combustão. Consequentemente, haverá uma diminuição da eficiência global da máquina. Emissões também geralmente aumentam com a operação em carga parcial.

Emissões

a) Tipos de poluidores – Os principais agentes poluidores são os óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono (CO), e compostos voláteis orgânicos (VOCs). Poluidores como os óxidos de enxofre (SOx) e material particulado (PM) dependem do tipo de combustível empregado. Material particulado em geral é marginalmente importante em combustíveis líquidos. Cargas parciais também produzem maiores poluições do que condição máxima de operação.

b) Tecnologias de controle de emissão de NOx – A produção de NOx está associada a elevadas temperaturas e presença de oxigênio e nitrogênio na câmara de combustão após a queima. É o foco das atenções atualmente. Entre as técnicas destacam-se:

* Injeção de vapor de água – Nesse caso, vapor de água ou água líquida é borrifada na região de alta temperatura da chama dentro da câmara de combustão. É possível reduzir a produção dos óxidos de enxofre para valores tão baixos quanto 25 ppm. O processo também é acompanhado por um ligeiro aumento de potência líquida. No entanto, a água de injeção precisa sofrer um processo de desmineralização. Ainda como contrapartida, pode haver um aumento de emissões de CO, devido à diminuição localizada da temperatura da chama.

* Redução catalítica seletiva SCR – É um processo pós-combustão de controle da emissão de óxidos de nitrogênio. Basicamente consiste numa reação de vapor de amônia com NOx na presença de catalizadores para formar o gás nitrogênio e água. Existe a possibilidade de um impacto negativo devido ao lançamento na atmosfera de vapor de amônia que não reagiu.

* Novas tecnologias de câmaras de combustão – Melhorias na mistura ar-combustível permitem que se trabalhe com temperaturas mais baixas que previnem a formação térmica do NOx.

c) Tecnologias de controle de emissão de CO e VOC – Controle de NOx geralmente implica em diminuição de temperatura de combustão e do excesso de ar, o que acarreta a formação de CO e VOC. Tanto as emissões de CO, como as de VOCs são diminuídas pela combustão completa e eficiente, normalmente obtidas com um excesso adequado de ar e boa mistura ar-combustível. Uma alternativa empregada de diminuição desses poluentes se dá através do uso de catalizadores instalados no fluxo de gases de exaustão.

d) Quantificação dos poluidores – Há geralmente quatro métodos de se classificar a descarga de poluentes para a atmosfera:

* Poluição por período – Neste caso, a medida é dada em termos do total de poluentes lançado na atmosfera num dado período, por exemplo, em toneladas/ano.

* Poluição por unidade de energia gerada – Em algumas situações, a limitação é dada em termos de quantidade de poluição gerada por unidade de energia produzida, por exemplo, em gramas/HP-hora.

* Poluição por unidade de volume de gases de exaustão – Em outros métodos de estimativa de poluição, a medida é dada em PPMV (parts per million based on volume) ou VPPM. Este limite é normalmente baseado na exaustão padrão de 15% de O2.

* Poluição por unidade de energia consumida – Neste caso, a medição é feita em termos do consumo energético do equipamento, isto é, gramas/GJ.

Melhorando o Desempenho das Turbinas

Como já foi visto, o uso de Regeneradores ou Recuperadores de Calor melhora a eficiência da turbina pelo aproveitamento da energia térmica dos gases de escape para pré-aquecer o ar antes da câmara de combustão.

Geralmente são equipamentos caros e seu uso é justificado quando a turbina trabalha a plena carga durante muitas horas por ano, ou quando o custo de combustível é relativamente elevado. Além disso, em ciclo combinado, ou em cogeração, seu uso pode ser dispensado, uma vez que o calor rejeitado da turbina será empregado com outra finalidade.

Também como já foi visto, os parâmetros de desempenho melhoram significativamente com a diminuição da temperatura de admissão do ar, no Resfriamento do Ar de Admissão. A potência pode ser melhorada de 15% a 20% pelo resfriamento do ar em apenas 20 oC a 25 oC. Existem diversas abordagens para se proceder ao resfriamento do ar:

a) Resfriamento evaporativo – é amplamente utilizado devido ao baixo investimento. Consiste em borrifar água no fluxo de ar de admissão, o que faz com que sua temperatura baixe. O problema é que em lugares muito úmidos, esse processo vai ter um baixo efeito de resfriamento do ar. É, portanto, ideal para lugares com baixa umidade. Evidentemente, deve haver água disponível para esse fim.

refrigeração – nesse caso, um ciclo comum de refrigeração ou um ciclo de absorção é empregado para resfriar o ar de admissão. Investimentos elevados são esperados nessa alternativa.

armazenamento de frio – o uso de gelo, água fria, ou outro fluido térmico podem ser empregados para resfriar o ar de admissão. O frio “armazenado” nessas substâncias seria produzido quando houvesse um preço considerável de energia de ponta durante algumas horas do dia.

b) Resfriamento entre-estágios (intercoolers) – é possível obter maior trabalho líquido da turbina se o ar comprimido em estágios sofrer um resfriamento intermediário.

Assim, o ar sofre uma compressão e é resfriado com o ar atmosférico (ou água) antes de continuar o processo de compressão no estágio posterior do compressor.

c) Ciclo com injeção de vapor – também conhecido como ciclo de Cheng. Neste ciclo, grandes quantidades de vapor de água são injetadas na câmara de combustão para melhorar a potência líquida e a eficiência.

Ciclo combinado Brayton-Rankine

Os gases de exaustão de uma turbina apresentam uma temperatura relativamente elevada. De forma que é bastante atrativa a utilização dessa energia térmica contida nos gases para alguma outra finalidade útil.

Existe uma série de possibilidades para aproveitamento da energia térmica. Entre elas:

1) a produção de frio pela utilização de uma máquina de absorção de calor;

2) a produção de vapor para utilização posterior;

3) a produção de vapor para acionamento de uma turbina a vapor.

A Eficiência térmica do Ciclo

O rendimento do ciclo combinado atinge valores mais elevados comparados com os casos em que as máquinas operam sozinhas.

Exemplo: considere um ciclo Brayton de rendimento 40% e um ciclo Rankine de rendimento 25%. O rendimento do ciclo combinado nesse caso é de 55%.

Ciclo combinado - configurações

Há várias formas de se combinarem turbinas a gás e a vapor para produção de energia elétrica.

Os gases de exaustão são dirigidos para a caldeira de recuperação (heat recovery steam generator – HRSG). A caldeira pode gerar vapor em um ou mais níveis de pressão (na ilustração há dois níveis – alta pressão, HP e baixa pressão, LP). O vapor alimenta a turbina que produz eletricidade através do seu próprio gerador elétrico.

Neste arranjo, as turbinas estão desacopladas, permitindo que a turbina a vapor seja desligada independentemente da turbina a gás.

Outra possível configuração se dá em eixo simples. Isto é, as duas turbinas trabalham em um só eixo. Esta configuração diminui o custo de investimento, já que apenas um gerador é necessário. Contudo, a operação das turbinas é sempre concomitante, exceto se a turbina a vapor estiver acoplada via um sistema de embreagem.

Ciclo combinado – Caldeira de Recuperação

Os gases de exaustão de uma ou mais turbinas a gás são aproveitados para produzir vapor na caldeira de recuperação.

A caldeira de recuperação é do tipo convectiva, isto é, a troca de calor dos gases quentes para a água é por convecção de calor. Já nas caldeiras comuns, a radiação térmica desempenha um papel bem significativo.

Vapor pode ser gerado em um ou mais níveis de pressão para alimentar a turbina a vapor, ou mesmo ser consumido em algum outro ponto de processo. Em situações em que a demanda de vapor é maior do que o que pode ser produzido pela recuperação da energia térmica dos gases, uma queima adicional de combustível pode ser realizada.

Deve-se ter o cuidado de que a temperatura dos gases de exaustão não caia para abaixo de cerca de 150 oC, quando poderá ter início o processo de condensação do vapor de água dos gases e, consequentemente, podendo dar início ao processo de corrosão da tubulação.

Um conceito importante no projeto e seleção das caldeiras de recuperação é a mínima diferença de temperatura alcançada entre os gases e a água, ou ponto de pinça (pinch point).

Os gases de exaustão da turbina a gás entram na caldeira de recuperação na temperatura ideal

A água entra no economizador na condição de vapor e o deixa em na condição de líquido saturado. Exatamente nessa condição ocorre o ponto de pinça. Valores típicos são = 15 oC a 30 oC.