Curso de Especialização em Energias Renováveis

Disciplina: Fundamentos de Termodinâmica e Disciplina: Fundamentos de Termodinâmica e Ciclos de Potência

Prof. Alcides Codeceira Neto

Programa da Disciplina

Fundamentos de Termodinâmica e Ciclos de Potência

• Introdução ao Estudo da Termodinâmica• Tipos de Sistemas Térmicos• Leis da Termodinâmica (Lei Zero, 1ª Lei e 2ª Lei)• Propriedades de uma Substância Pura• Estado Gasoso• Processos Politrópicos• Ciclos Térmicos para Geração de Energia Elétrica

Ciclos Térmicos para Geração de Energia Elétrica

Ciclo Rankine – ciclo a vapor

Ciclo Brayton - ciclo a gás

Ciclo Rankine

Queima de Combustíveis

Combustíveis Fósseis (ex: carvão mineral)

Ciclo Rankine

Queima de Combustíveis

Biomassa

Ex: Bagaço de cana-de-açúcar

Ciclo Rankine

Queima de Combustíveis

Uso da Energia Solar

Ciclo Rankine

Queima de Combustíveis

CO2

H OH2O

N2

O2

Queima de Combustíveis

CO2

H OH2O

N2

O2

Gases do Efeito Estufa

Aquecimento Global

Gases de Efeito Estufa

Potencial de Aquecimento Global

Gases do Efeito Estufa

Gases de Efeito Estufa

Gases de Efeito Estufa

Produção de Gás Metano – CH4

Efeito Estufa

Efeito Estufa

A ameaça que as alterações climáticas constituem para a humanidade, enquanto constituem para a humanidade, enquanto resultado da utilização das formas de energia tradicionais, quer por parte da população em geral, quer por parte do setor industrial, atingiu um certo impacto na opinião pública que deixou de ser possível ignorá-la.

Efeito Estufa

Causas Efeitos

Efeito Estufa

Principais Gases do Efeito Estufa

• Dióxido de Carbono (CO2)

• Metano (CH4)

• CFC (Cloro – Flúor – Carbono)

• Vapor de água (H2O)

• Óxido Nitroso (N2O)

Efeito Estufa

Causas Antropogênicas do Aquecimento Global

• Queima de combustíveis fósseis ( derivados de petróleo e carvão mineral)

• Emissões industriais

• Queimadas nas florestas

• Desmatamento de florestas

• Decomposição do lixo orgânico a “céu aberto”

• Estima-se que 95% das causas do aquecimento global é de origem antropogênica.

• O uso da energia é o principal vetor para o desenvolvimento sócio-econômico e tecnológico das nações mundiais.

Aquecimento Global – O que fazer?

nações mundiais.

• Há uma enorme necessidade do uso de energias renováveis:

Energia SolarEnergia EólicaEnergia de BiomassaEnergia da Água (Pequenas Centrais Hidrelétricas)Energia de HidrogênioEnergia do MarEnergia proveniente da decomposição do lixo

Matriz Elétrica Brasileira Maio / 2014

FonteNúmero de Usinas em Operação

CapacidadeInstalada (MW)

%

Hidroeletricidade 1108 86918,79 63,44

Gás (Gás Natural e Gás de Processo)

157 14281,94 10,42

Petróleo (óleo Diesel e óleo Residual)

1176 7629,75 5,57

Biomassa (Bagaço de Cana, Licor Negro, Madeira, Biogás, Casca de Arroz)

481 11555,51 8,43

Nuclear 2 1990,00 1,45

Carvão Mineral 13 3389,47 2,47

Eólica 145 3067,78 2,24

Solar Fotovoltaica 107 9,35 0,000068

Importação (Paraguai, Argentina, Venezuela e Uruguai)

- 8170,00 5,96

Total 3191 137012,59 100,00

Fonte: ANEEL – Maio/2014

Produção de Eletricidade Alemanha - 2013

Fonte Energia Produzida (TWh) %

Carvão 286,0 45,1

Nuclear 97,3 15,3

Gás Natural 66,8 10,6

Óleo Mineral 6,4 1,0

Eólica 53,4 8,4

Hidroeletricidade 20,5 3,2

Biomassa 42,6 6,7

Solar Fotovoltaica

30,0 4,8

Lixo Residencial 5,2 0,9

Outras Fontes 25,4 4,0

Total 633,6 100,0

Fonte: Statistisches Bundesamt – Wiesbaden 2014

Biomassa

Zona de Ampliação da Cana-de-Açúcar

Biomassa

• A biomassa pode ser queimada sem emitir grande quantidade denitrogênio (NOx).

Diante do fato de que o conteúdo de enxofre da biomassa é muito

Biomassa

Considerações

• Diante do fato de que o conteúdo de enxofre da biomassa é muitobaixo, as emissões de dióxido de enxofre (SO2) também serão baixa,especialmente quando comparadas com as emissões decorrentes dacombustão do carvão.

• O uso da biomassa como combustível para geração de energiaelétrica e calor mobilizaria os resíduos da agricultura e das indústriasque usam a madeira como matéria prima.

Tipos de Biomassa

Tipos de Biomassa

Ciclo Rankine

Queima de Biomassa

Ciclo Rankine

Potencial Solar Brasileiro

Energia Solar Heliotérmica

Fonte: Atlas Solarimétrico Brasileiro –Chesf / UFPE / Cepel

Potencial Solar Médio Brasileiro:

5 kWh/m2.dia

Ciclo Rankine

Energia Solar

Ciclo Rankine

Energia Solar com Armazenamento Térmico

Ciclo Rankine

Tecnologia Heliotérmica

Energia Solar Heliotérmica

Principais Componentes

Usinas Heliotérmicas com Concentradores Cilindricos-Parabólicos

Campo Solar:• Coletores cilíndrico-parabólicos

• Estruturas• Receptor / Tubo absorvedor

Bloco de Potência:• Ciclo Rankine (ciclo a vapor)

Modelagem do Ciclo Rankine Ideal

• Não se considera variação de pressão nos trocadores de calor.

• Não se considera variação de entropia na turbina e na bomba de alimentação d’água.

• Despreza-se as perdas mecânicas no eixo rotativo da máquina.

Ciclo Rankine Ideal

Diagrama Temperatura – Entropy para o Ciclo Rankine Ideal

Ciclo Rankine

Parâmetros Importantes

Pressão da Caldeira ou pressão de entrada da turbina

Temperatura do vapor na entrada da turbina

Pressão do Condensador ou pressão de saída da turbina

Ciclo Rankine Ideal

Processo 1 -2: Expansão isentrópica do fluido de trabalho através da turbina.

Processo 2 – 3: Transferência de calor do fluido de trabalho no condensador, onde ele flui à pressão constante.

Processo 3 – 4: Compressão isentrópica na bomba de alimentação de água.

Processo 4 - 1: Transferência de calor para o fluido de trabalho na caldeira, à pressão constante.

Ciclo Rankine IdealModelo de Performance

hhQ

hhW

hhW

bomba

turbina

−=

−=

−=

34

21

QW

WWW

hhQ

hhQ

in

líquido

th

bombaturbinalíquido

out

in

=

−=

−=

−=

η

32

41

Ciclo Rankine IdealModelo de Performance

( )

( ) hhh

ssss

gxfx

gxfx

PP

PP

22

22

..1

..1

2

21

+−=

+−==

( )PPvW

hhW

fb

b

ideal

ideal

34

34

. −=

−=

Ciclo Rankine IdealModelo de Performance

Cálculo da Potência Útil

WWW btútil−=

•••

t = turbina

b = bomba

( )

( )hhmW

hhmW

OHb

OHt

342

212

.

.

−=

−=

••

••

Relacionando Trabalho Específico e Potência

=

kg

kJ

m

Ww

=

••

kg

kJw

s

kgmKWW .)(

Ciclo Rankine Real

Cálculo da Eficiência Térmica

•

W•=

Q

W

in

útil

thη ( )hhmQ OHin 412

. −=••

Uma pequena usina térmica opera em ciclo Rankine (ver figura abaixo), e produz 25 kg/s de vapor d’água a 30 bar e 600 °C na caldeira. Nessa usina térmica o fluido de trabalho é resfriado no condensador com água do mar que entra nesse volume de controle a 12 °C e sai a 15 °C. Sabe-se que o fluxo de massa de água sai da turbina a uma temperatura de 45 °C. Desprezando-se as perdas na bomba d’água , na turbina e também as perdas mecânicas no eixo rotativo da máquina, pede-se calcular:

a) A potência líquida da usina térmica, em kW;

Exercício

a) A potência líquida da usina térmica, em kW; b) O fluxo de massa de água do mar necessário para resfriar o fluxo de massa de água que sai da turbina, no condensador, em kg/s.

Exercício

Tabela com Propriedades da Água Saturada

Dados:

• Calor específico da água líquida: 4,18 kJ/kg.K

T(°°°°C) P(bar) vf(m3/kg) vg(m3/kg) hf(kJ/kg) hg(kJ/kg) sf(kJ/kg.K) sg(kJ/kg.K)12,0 0,01402 1,0005x10-3 93,784 50,41 2523,4 0,1806 8,852415,0 0,01705 1,0009x10-3 77,926 62,99 2528,9 0,224 8,781445,0 0,09593 1,0099x10-3 15,258 188,45 2583,2 0,6387 8,1648233,9 30,00 1,2165x10-3 0,06668 1008,4 2804,2 2,6457 6,1869

T(°°°°C) v(m3/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg.K)Saturação 0,06668 2804,2 6,1869320,0 0,0850 3043,4 6,6245400,0 0,0994 3230,9 6,9212500,0 0,1162 3456,5 7,2338600,0 0,1324 3682,3 7,5085

Tabela com Propriedades do Vapor Superaquecido à Pressão de 30 bar

Ciclo Brayton

Ciclo Brayton

Ciclo Brayton Ideal Fechado

Ciclo Brayton Ideal

Processo 1 -2: Compressão isentrópica do fluido de trabalho através do compressor.

Processo 2 – 3: Transferência de calor para o fluido de trabalho no trocador de calor, à pressão constante.

Processo 3 – 4: Expansão isentrópica na turbina.

Processo 4 - 1: Transferência de calor do fluido de trabalhono trocador de calor, à pressão constante.

Ciclo Brayton Aberto

Ciclo Brayton Aberto

Ciclo Brayton

Ciclo Brayton

Ciclo Brayton

Ciclo Brayton

A lavagem dos motores dos aviões será feita a cada 40 dias

A TAM afirma ter conseguido economizar o equivalente a US$ 3,5 milhões (cerca de R$ 7,74 milhões) ao lavar os motores de todos seus aviões. Segundo a empresa, isso gerou uma economia anual de 3 milhões de litros de combustível, um dos principais custos das companhias aéreas.

Ciclo Brayton

Combustor

Ciclo Brayton

Combustor

Ciclo Brayton

Unidade Compacta

Ciclo Brayton

Variáveis Importantes

Razão de Compressão

PPr c

2=

Temperatura de Entrada da Turbina

Pr c1

=

TTET3

=

Ciclo Brayton IdealModelo de Performance

( )

( )

( )TTchhQ

TTchhw

TTchhw

pt

pc

−=−=

−=−=

−=−=

4343

1212

.

.

.

( )

( )

Qw

www

TTchhQ

TTchhQ

in

útil

ctútil

pout

pin

=

−=

−=−=

−=−=

η

1414

2323.

Ciclo Brayton Ideal

( )

−

−=1

1

1

γγ

η

−=r c

1η

Relacionando Trabalho Específico e Potência

=

kg

kJ

m

Ww

=

••

kg

kJw

s

kgmKWW .)(

Ciclo Brayton Ideal

Cálculo da Potência Útil

WWW ctútil−=

•••

( )

( )TTcmW

TTcmW

p

p

ar

ar

arc

art

12

43

..

..

−=

−=

••

••

Ciclo Brayton Ideal

Cálculo da Eficiência Térmica

•

W•=

Q

W

in

útil

thη ( )TTcmQ p

ararin 23

.. −=••

Ciclo Brayton Ideal

Exercício

Uma usina termelétrica operando com um ciclo Brayton fechado ideal (ver figura a seguir) tem uma razão de compressão 8. O fluido de trabalho utilizado é o ar, o qual assume propriedades de um gás ideal. A tabela abaixo apresenta os valores de pressão (bar), temperatura (K) e entalpia específica (kJ/kg) nas estações do ciclo térmico, a saber:1 -Saída do trocador de calor que retira calor do ciclo térmico / Entrada do compressor;2 - Saída do compressor / Entrada do trocador de calor que injeta calor no ciclo térmico;3 - Saída do trocador de calor que injeta calor no ciclo térmico / Entrada da turbina;4 - Saída da turbina / Entrada do trocador de calor que retira calor do ciclo térmico.

Diante dos dados apresentados, pede-se calcular:

Estação Pressão (bar) Temperatura (K)

Entalpia Específica (kJ/kg)

1 1 300 300,192 8 540 544,353 8 1300 1395,974 1 770 789,11

Diante dos dados apresentados, pede-se calcular:a) A razão entre o trabalho do compressor e o trabalho da turbina;b) A eficiência térmica do ciclo Brayton em valores percentuais.