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.
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