Termodinâmica Aplicada

Centro Universitário Anhanguera de Santo André

Engenharia Mecânica – 6ºSemestre – Sala 115

Atividades Práticas Supervisionadas

Termodinâmica Aplicada

Usina Termoelétrica

Santo André / SP

Outubro de 2014

Centro Universitário Anhanguera de Santo André

Engenharia Mecânica – 6ºSemestre – Sala 115

Daniel Silva da Cunha RA: 4200060595

Erik Henrique Alves da Silva RA: 4270839365

Fernando Godoi Garcia RA: 4210781434

Jonatas Cézar Ferreira RA: 3730723405

Jonathan Rodrigo Alves Gomes RA: 3708609429

Raul César de Carvalho de Barros RA: 4207798328

Thiago Rodrigues Santos RA: 4234814655

ATPS apresentado para avaliação na disciplina de Termodinâmica Aplicada, do curso de Engenharia Mecânica, Período Noturno, do Centro Universitário Anhanguera de Santo André, ministrado pelo Prof.º Ricardo.

Santo André / SP

Outubro de 2014

Introdução Teórica

Termodinâmica

A troca e a transformação de energia são fenômenos que ocorrem constantemente na natureza. Basta esfregarmos as nossas mãos para percebermos o aumento da temperatura delas. Nesse caso, temos uma transformação da energia mecânica em calor. Esse é só um dos muitos exemplos que ocorrem frequentemente ao nosso redor.

A termodinâmica trata do estudo da relação entre o calor e o trabalho, ou, de uma maneira mais prática, o estudo de métodos para a transformação e energia térmica em energia de movimento.

Essa ciência teve impulso especialmente durante a revolução industrial, quando o trabalho que era realizado por homens ou animais começou a ser substituído por máquinas. Os trabalhos dos cientistas da época levaram-nos a duas leis de caráter muito amplo e aplicável a qualquer sistema na natureza.

Calor é energia térmica em trânsito, que ocorre em razão das diferenças de temperatura existentes entre os corpos ou sistemas envolvidos. Energia é a capacidade que um corpo tem de realizar trabalho.

Usina Termoelétrica

Sabemos perfeitamente que a energia térmica pode ser transformada em energia mecânica ou elétrica. Inversamente, a energia mecânica ou a energia elétrica podem ser convertidas em energia térmica. O primeiro caminho é bem mais dificultoso que o segundo. Uma central termelétrica operando a partir de energia térmica (da queima do carvão, por exemplo) mostra, perfeitamente, o ciclo completo das transformações de energia.

A usina termoelétrica é uma instalação industrial que produz energia a partir do calor gerado pela queima de combustíveis fósseis (como carvão mineral, óleo, gás, entre outros) ou por outras fontes de calor (como a fissão nuclear, em usinas nucleares).

Primeiramente aquece-se uma caldeira com água, essa água será transformada em vapor, cuja a força irá movimentar as pás de uma turbina que por sua vez movimentará um gerador.

Uma maneira de se aquecer o caldeirão é através da queima de combustíveis fósseis (óleo, carvão, gás natural). Após a queima eles são soltos na atmosfera causando grandes impactos ambientais.

Uma outra maneira de aquecimento é utilizando a energia nuclear, através de reações nucleares como a quebra (fissão) do urânio.

Transformações

A energia vem para a usina como 'carvão', isto é, energia química armazenada na estrutura dos constituintes do carvão. Os elementos constituintes do carvão combinam-se com o oxigênio do ar e, assim, nesse processo denominado 'combustão' (ou oxidação), convertem a energia química em energia térmica.Uma certa porcentagem desta energia térmica é transferida para a caldeira e produz vapor. A razão entre a quantidade de energia térmica aproveitada pela caldeira (útil) e a quantidade de energia térmica libera pelo carvão (fornecida) é denominada 'rendimento da caldeira', de modo que, indicando-se esse rendimento por n tem-se: n = energia térmica útil/energia térmica fornecida.

Em todas as etapas das transformações teremos um rendimento específico, ou seja, "quanto se aproveitou daquilo que recebeu"; em outras palavras, em todas as etapas, como o rendimento nunca é 100%, teremos perdas, energia desperdiçada. Continuemos.

A expansão do vapor nos cilindros da máquina ou nos injetores e palhetas da turbina, transformam a energia térmica do vapor em energia mecânica. O vapor quente produz movimento. Essa etapa tem um baixo rendimento.

Esta energia mecânica disponível na saída da turbina é usada para acionar o gerador elétrico o qual, por sua vez, converte uma grande proporção (alto rendimento) da energia mecânica que recebe, em energia elétrica.

Uma certa quantidade dessa energia elétrica volta a se transformar em calor nos fios, barras-gerais, transformadores e no sistema de transmissão.

Finalmente, a energia elétrica restante é aproveitada para fazer funcionar motores, acender lâmpadas, acionar máquinas elétricas ou ser utilizada em processos químicos (eletrólise, galvanoplastia, niquelação etc.). Em última análise, toda a energia aparece de novo como energia térmica ou convertida em outras formas de energia.

Fluxo das transformações

A ilustração abaixo mostra o percurso da energia (expresso em unidades de potência) num típico sistema elétrico, desde a energia química no carvão, tal como ele é levado às grelhas transportadoras nas caldeiras, até o ponto de utilização final (neste caso, representado por motores).

Em (X) a energia é entregue aos alimentadores, na forma de carvão, à quantidade de 94 800 BTU/s, correspondendo a 100 000 kW.

Na figura acima, as letras maiúsculas (A, B etc.) junto