Geração Termo Hidraulica II

Geração Termo Hidraulica II

(Parte 2 de 7)

O economizador pré aquece a água de alimentação dos GV aquotubulares para melhorar o rendimento térmico e atenuar o choque térmico entre a água de alimentação e água existente no tambor.

O aquecedor de ar aproveita o calor residual dos gases da combustão, pré aquecendo o ar utilizado na queima da combustível. Na saída dos gases, na chaminé do GV, as temperaturas variam entre 120 e 300oC dependendo do tipo de instalação e do combustível utilizado.

Fig. 4.4 – GV aquotubular. Tambor separador (1); câmara de combustão (2); queimadores (3); paredes d’água (4); aquecedor de ar (5); economizador (6); superaquecedor (7)

Fig. 4.5 –GV flamotubular mod. TSDG-1

Fig. 4.6 – Esquema de uma GV flamotubular.

As TV são as máquinas responsáveis pela transformação da energia contida no vapor (pressão, térmica e cinética) em trabalho mecânico de rotação de um eixo que acionará o gerador elétrico. Diversas são as classificações possíveis para as TV. Alguns critérios de classificação habitualmente encontrados na literatura são os seguintes:

• Quanto ao princípio de funcionamento • Quanto número de estágios

1a. classificação: Quanto ao número de estágios:

• TV de simples estágio • TV de múltiplos estágios

As TV de simples estágio são compostas por apenas um rotor e um sistema diretor, como as TH. O sistema diretor é um conjunto de pás fixas, normalmente denominadas simplesmente pás, sendo o conjunto denominado roda fixa ou bocal injetor (no caso das TV de impulso, a ser definida adiante). O rotor é um conjunto de pás móveis normalmente denominadas palhetas, cujo conjunto é denominado roda móvel. As TV de múltiplos estágios, são compostas por mais de conjunto de rotor e sistema diretor. A fig. 4.7 ilustra uma TV primitiva de vários estágios.

Fig. 4.7 – Esquema de uma TV de múltiplos estágios.

2a. classificação: Quanto ao princípio de funcionamento:

• Ação ou impulso • Reação

Nas TV de impulso, toda a variação de pressão ocorre na passagem pelo sistema diretor do primeiro estágio, chamado bocal injetor. A subsequente passagem pelos rotores e sistemas diretores dos demais estágios se dá a pressão constante. Nas turbinas de reação, a pressão varia na passagem pelos sistemas diretores e rotores de todos os estágios e não há bocal injetor neste caso. As transformações energéticas mencionadas estão representadas na figura 4.8.

3a. classificação: Quanto à pressão de saída do vapor:

• Turbinas sem condensação, • Turbinas de condensação

As turbinas de condensação são aquelas em que o vapor apresenta uma pressão de saída igual à pressão de saturação e até 10% em volume de líquido condensado. Este vapor é diretamente enviado ao condensador. Nas turbinas sem condensação, o vapor sai com pressão mais elevada, portanto, sem líquido presente. e é utilizado como calor de processo. Utiliza-se turbinas de condensação quando o único objetivo da instalação é a geração de energia elétrica

Fig. 4.8 –Transformação energéticas nas TV. Esquerda: TV de ação e simples estágio. Centro: TV de ação e múltiplos estágios. Direita: TV de reação e múltiplos estágios.

4a. classificação: Quanto à extração de vapor:

• TV sem extração de vapor • TV com extração de vapor

A extração de vapor tem por objetivos ou melhorar a eficiência do ciclo termodinâmico da central ou utilizar o vapor extraído em processos industriais. No primeiro caso, o aumento de eficiência é obtido pelo reaquecimento do vapor (realizado no reaquecedor do GV) ou pelo processo conhecido como regeneração, em que a água de alimentação da caldeira é aquecida depois das bombas e antes de entrar no economizador.

É um dispositivo trocador de calor, no qual o vapor proveniente da TV é resfriado por um fluido de refrigeração, retornando à fase líquida, na qual pode ser bombeado de volta para o GV com facilidade. O fluido de refrigeração é geralmente a água, proveniente, em grandes instalações, de um rio, lago ou do oceano. Em geral, é necessário devolver esta água à sua fonte na temperatura em que ela foi retirada. Na prática, isso nem sempre é feito, como é o caso da Central de Angra I. Para diminuir a temperatura da água de resfriamento do condensador utilizam-se torres de resfriamento. Nestes equipamentos, a água é elevada até o topo de uma torre, onde é pulverizada e deixada cair sobre degraus ou rampas, até a base. Durante a queda ela se resfria por contato com o ar atmosférico. A figura 1.7 mostra as torres de resfriamento da central Termonuclear de Three Mile Island, Pennsylvania, EUA. A fig. 4.9 mostra um condensador convencional.

Fig. 4.9 – Condensador para uma TV numa central de cogeração, fabricado pela Graham Corporation

Como já foi mencionado, as centrais a vapor são instalação bastante complexas. Alguns acessórios, porém, são fundamentais à sua operação:

• Bombas

• Isolamento térmico

As tubulações conduzem o fluido de trabalho entre os diversos componentes da central.

Em seu projeto e em sua montagem devem ser observados critérios como a dilatação dos materiais, a ancoragem, a absorção de movimentos axiais e as tensões. Os purgadores são válvulas que permitem retirar o fluido condensado, ocasionalmente formado na linha de vapor. As bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que transferem energia ao fluido de trabalho, sob forma de pressão e cinética, com o objetivo de transportá-lo vencendo os gradientes de pressão e as perdas de carga do sistema. As válvulas podem ser de mais de um tipo. As redutoras e controladoras de pressão mantém a pressão de saída do vapor constante num nível determinado. As controladoras de temperatura possuem elementos sensores de temperatura e são projetadas para atuar sobre o GV em caso de necessidade. Os filtros são dispositivos que devem ser colocados na linha antes qualquer componente de instrumentação ou de automação, com o objetivo de reter as partículas sólidas existentes. O isolamento térmico é composto por materiais de revestimento aplicados nas linhas de tubulações e demais componentes com o objetivo de reduzir as perdas de calor globais para o ambiente.

4.3. Partes componentes de uma central nuclear a vapor

Energia nuclear é o tipo de energia contida no núcleo dos átomos, mais especificamente nas interações nucleares. Ela pode ser liberada através de certas reações químicas, chamadas reações nucleares, sendo as mais conhecidas as de fissão e de fusão, em que os núcleos se dividem e se agrupam, respectivamente. A energia liberada no processo pode ser aproveitada para diversas finalidades, uma das quais é a geração de energia elétrica.

As centrais a vapor que utilizam a energia nuclear como fonte de aquecimento para o fluido de trabalho, são denominadas centrais nucleares. Elas não são essencialmente diferentes das centrais a vapor convencionais. Nelas o GV não constitui um elemento isolado mas encontra-se integrado ao circuito de resfriamento do reator nuclear. Os componentes da central e de alguns tipos de reator serão brevemente descritos neste item. Antes, porém, uma revisão de alguns conceitos importantes é necessária.

O estudo das reações nucleares, iniciou-se em 1938, com Otto Hahn e Fritz Strassmann, na Alemanha. Seu desenvolvimento foi bastante rápido, movido pela vontade de desenvolver armas de extermínio em massa. Em 1939 Albert Einstein, já vivendo no EUA, escreveu uma carta histórica ao presidente Hoosevelt, chamando atenção para a possibilidade do desenvolvimento de uma bomba atômica e urgindo sua produção antes que a Alemanha o fizesse.

Também no ano de 1939, Werner Heinsenberg, cientista Alemão, percebeu a potencialidade das reações nucleares para a produção de energia. Em1942, o primeiro reator de que se tem notícia entrou em funcionamento, produzindo 0.5 W durante alguns minutos e provando que o projeto era factível. O primeiro reator a produzir energia elétrica potencialmente comercializável foi uma pequena unidade de 5 MW, construída próximo de Moscou. O submarino nuclear USS Nautilus foi (talvez) o primeiro veículo propelido a força nuclear. Nos dias de hoje os esforços concentram-se na melhoria principalmente das condições de segurança e controle das centrais nucleares.

Nas últimas décadas o geração de energia por meios nucleares vem se tornando uma necessidade estratégica em muitos países. Os que não dispões de recursos fluviais e petrolíferos, a adotam por motivos óbvios. Aqueles que dispõe, para poder conservá-los e explorá-los com lucros aumentados no futuro, quando os recursos do resto do planeta já estiverem se exaurindo, como é o caso dos EUA, por exemplo. Por este motivo diversos textos de origem nos EUA defendem o uso da energia nuclear desde o princípio, enfatizando o baixo custo do KW produzido e ignorando o alto custo ambiental embutido.

4.3.2. Revisão da estrutura atômica

Para estudar a geração nuclear de energia elétrica, alguns conceitos relativos aos átomos e às reações nucleares serão revisados.

O átomo consiste de um núcleo, relativamente pesado e com carga elétrica positiva, circundado por um número de partículas relativamente leves e com carga negativa. As partículas negativas são chamadas elétrons e comportam-se como se orbitassem o núcleo em diversas órbitas, caracterizadas por níveis energéticos fixos. O núcleo é composto por partículas chamadas núcleons, que subdividem-se em prótons, de carga positiva e neutrons,

sem carga elétrica. A carga dos prótons é igual, em módulo, à dos elétrons, mas de sinal oposto.

O átomo, como um todo, é eletricamente neutro, uma vez que o número de prótons é igual ao de elétrons. As partículas são mantidas juntas através de “forças” conhecidas como interações. A interação que mantém os elétrons orbitando em torno do núcleo é a força eletromagnética, relativamente fraca e é, portanto conhecida como interação fraca. A que mantém os prótons juntos no núcleo, é conhecida como interação forte e pouco se conhece a seu respeito.

A quantidade de prótons, neutrons e elétrons num átomo é quem define suas propriedades físicas e químicas, ou seja é quem confere ao elemento químico sua individualidade. Átomos que contém o mesmo número de prótons pertencem ao grupo de isótopos daquele átomo. Eles exibem características físico-químicas semelhantes e diferem basicamente apenas pelas suas massas.

Um átomo pode ser transformado em outro através da perda ou do ganho de prótons ou elétrons. Tais reações resultam numa variação de massa do átomo m∆ e, portanto, liberam (ou absorvem) grandes quantidades de energia dadas pela Lei de Einstein, E = m∆c2, em que c é a velocidade da luz no vácuo, 3x108 m/s. A Lei de Einstein vale para quaisquer processos que ocorram no átomo. Se eles ocorrerem no núcleo, o processo é dito uma reação nuclear. Algumas reações nucleares de interesse serão revisadas no próximo item.

As duas reações nucleares de interesse na geração de energia elétrica são a fissão e a fusão nuclear. Na fissão, um núcleo pesado é dividido em dois ou mais núcleos leves, enquanto na fusão dois ou mais núcleos leves são fundidos num mais pesado. Em ambos há decréscimo de massa nuclear, resultando em liberação de energia segundo a Lei de Einstein.

A fusão é a reação nuclear que ocorre no Sol e nas estrelas e é capaz de produzir imensas quantidades de energia. No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de dois isótopos do hidrogênio se fundem formando um átomo de Hélio e um nêutron (fig. 4.10). O decréscimo de massa no processo é da ordem de 0,0276 uma (unidade de massa atômica, aproximadamente 1 para o próton e o neutron).

Fig. 4.10 – Reação de fusão nuclear de dois isótopos de Hidrogênio, o Deutério (esq. com um próton e um neutron) e Trítio (dir. com um próton e dois neutrons)

A energia liberada na reação aumenta a temperatura ambiente até a valores da ordem de milhões de graus centígrados e serve para deflagrar e sustentar outras reações. De fato, a fusão só se inicia em presença destas altas energia, que são necessárias para acelerar os núcleos em direção uns aos outros, superando as forças de repulsão eletromagnética.

Ainda existem muitos problemas técnicos a ser resolvidos antes que a fusão possa ser utilizada na geração de energia elétrica. O maior destes problemas é a alta temperatura requerida para iniciar e manter a reação em cadeia. O uso militar da fusão, entretanto, já é uma realidade, desde que se imaginou utilizar uma bomba atômica para gerar as altas temperaturas exigidas para iniciar a fusão.

Diferente da fusão, causada por núcleos positivamente carregados, a fissão é causada por neutrons que, sendo eletricamente neutros, não necessitam de altas energias iniciais para atingir o núcleo do átomo (fig. 4.1 esq.). A fissão pode ser causada por outras partículas que não os neutrons, mas eles são as únicas de uso prático pois cada reação de fissão libera sempre mais dois ou três neutrons por neutron absorvido, mantendo uma reação em cadeia (fig. 4.1 dir.).

Os átomos mais facilmente fissionáveis são o U233, U235 e o Pu239. O U238, o Th232 e o

Pu240 exigem neutrons de alta energia para iniciar a fissão Os produtos imediatos da reação de fissão são chamados fragmentos de fissão e exemplos típicos são o Xe140 e o Sr94. Eles e o produto de seu decaimento radioativo são chamados produtos de fissão. Os produtos de fissão são ainda radioativos e apresentam grande risco de contaminação para o meio ambiente.

Não há como estimar o tempo necessário para um núcleo radioativo em particular sofrer decaimento. Contudo, em amostras com grande número de núcleos radioativos, a taxa de decaimento com o tempo é proporcional ao número de núcleos naquele instante. Com isso, o número de núcleos decai exponencialmente com o tempo. Uma maneira comum de representar este decaimento é através do tempo de meia-vida do elemento, que é tempo necessário para que metade dos núcleos decaia e, portanto, metade da atividade radioativa da amostra cesse.

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