Geração Termo Hidraulica II

Geração Termo Hidraulica II

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Fig. 4.18 – Compressor axial de uma TG simples

A câmara de combustão é o espaço físico da TG no qual a mistura ar-combustível é injetada e onde será processada a combustão. As câmaras podem ser únicas, de formato anular, ou divididas em seções chamadas tubos de chama. Vários bicos injetores de combustível associados a um número igual de injetores de ar realizam a mistura arcombustível na razão especificada dentro de uma câmara conhecida como queimador. A ignição do combustível é feita, normalmente, por centelha, como nos MCI. A figura 4.19 mostra a câmara de combustão de uma TG aeronáutica, com um dos tubos de chama em detalhe.

A turbina é uma MF, MT e M, responsável por retirar energia dos gases de combustão e entregar trabalho mecânico de rotação ao eixo de saída. A figura 4.20 mostra um estágio do rotor de uma TG aeronáutica.

Fig. 4.19 – Câmara de combustão de uma TG aeronáutica

Fig. 4.20 – Turbina aeronáutica Fig. 4.21 – Detalhe das palhetas de uma TG

Diversas classificações são possíveis para as centrais a gás. Como as centrais são constituídas basicamente pela TG, classificações para as TG também são apresentadas como classificações das centrais. As mais comuns são as seguintes:

• Quanto à direção do escoamento à entrada do rotor • Quanto ao tipo de turbina utilizada

1a. classificação: Quanto à direção do escoamento à entrada do rotor

Esta classificação já foi explorada em conexão com as TH. As TG modernamente empregadas são todas do tipo axial. As radiais estão em desuso. Elas foram aplicadas na propulsão de automóveis e embaracações e apresentavam baixo rendimento térmico.

2a. classificação: quanto ao tipo de turbinas utilizadas

• Centrais de ciclo convencional • Centrais de ciclo combinado

Conforme descrito anteriormente, as centrais de ciclo combinado utilizam TV e TG funcionando em conjunto (fig. 4.3) . Os gases de exaustão da TG são aproveitados no gerador de vapor para a TV.

3a. classificação: Quanto ao tipo de eixo

As TG de eixo rígido (fig. 4.18) acoplam rigidamente o compressor, a turbina e o gerador elétrico. As de eixo livre (fig. 4.19), apresentam uma turbina somente para acionar o compressor, sendo esse conjunto denominado gerador de gás. A turbina responsável por mover o gerador elétrico e denominada turbina de potência.

A vantagem das TG de eixo rígido na geração de energia elétrica é a maior inércia do conjunto rotativo, o que tende a evitar variações bruscas de rotação (e portanto de freqüência de geração de energia elétrica) em caso de variação da carga na rede. Nas TG de eixo livre, as duas turbinas podem girar em velocidades diferentes, pois não se encontram solidárias ao mesmo eixo. Isso permite um melhor controle da rotação.

Fig. 4.18 – Esquema de uma TG de ciclo simples e eixo rígido

Fig. 4.19 – Esquema de uma TG de ciclo simples e eixo livre

4a. classificação: Quanto ao ciclo utilizado

• Ciclo simples • Ciclo regenerativo

• Ciclo com resfriamento intermediário

As TG de ciclo simples são, como o nome indica, as mais simples e, por isso mesmo, foram as primeiras a ser projetadas e utilizadas. Elas foram ilustradas nas figs. 4.18 e 4.19. Para melhorar o rendimento térmico do ciclo simples, diversas alterações foram propostas. As mais bem sucedidas foram as de ciclo regenerativo e de ciclo com resfriamento intermediário. Nas de ciclo regenerativo, um regenerador similar ao das TV é empregado para aquecer o ar proveniente do compressor (fig. 4.20). Nas TG com resfriamento intermediário, um equipamento chamado interesfriador é utilizado para reduzir o trabalho de compressão, resfriando o ar comprimido proveniente do compressor. A figura 4.21 ilustra uma destas TG, que além do interesfriador conta também com um regenerador e com duas câmaras de combustão. A utilização de duas câmaras de combustão permite a geração de potências mais altas. Com uma só câmara, estas potências implicariam em exceder os limites metalúrgicos de alguns componentes, em especial das palhetas do primeiro estágio da turbina. A utilização de duas câmaras também implica em temperaturas mais elevadas dos gases de exaustão, compressor turbina câmara de combustão ar gases de exaustão combustível potênciacompressor turbina câmara de combustão ar gases de exaustão combustível potência compressor câmara de combustão argases de exaustão potênciaturbina turbina de potência gerador de gás compressor câmara de combustão argases de exaustão potênciaturbina turbina de potência favorecendo a utilização de ciclos combinados com TV ou de regeneração. O ciclo mostrado na fig. 4.21, entretanto, ainda é teórico. Não existe, no momento nenhuma instalação utilizando o tipo de combinação mostrado. Os tipos existentes no mercado utilizam apenas regeneração, apenas resfriamento intermediário ou a dupla câmara com o ciclo combinado

Fig. 4.20 – Esquema de uma TG de ciclo regenerativo

Fig. 4.21 – Esquema de uma TG de ciclo simples com resfriamento intermediário, regenerativo e com duas câmaras de combustão

4.5. Partes componentes das centrais a diesel

Os motores diesel fazem parte de um amplo grupo de máquinas térmicas chamado motores de combustão interna (MCI). Os MCI recebem esta denominação porque a liberação de energia do combustível ocorre em seu interior. Em contraste, numa máquina a vapor (uma TV ou um pistão, por exemplo) a combustão se processa fora da máquina.

Os MCI foram criados no final do século XIX e tornaram-se populares devido à sua aplicação em automóveis de passeio. Com o passar dos anos, os MCI foram se tornando progressivamente mais confiáveis e, devido a este fato, passaram a equipar outros meios de transporte como trens, aeronaves e embarcações. No final do século XIX o engenheiro alemão compressor turbina câmara de combustão gases de exaustão combustível potência r e ge ner a dor c. c. ar gases de exaustão comb potência r e ge ne r a d o r c. c.

comb turbina turbinacomp alta in te r r e s f r i a dor comp baixa refrigerante

Dr. Rudolf Diesel desenvolveu o motor que levou o seu nome a partir de tentativas mal sucedidas de criar um motor a carvão pulverizado. O modernos motores diesel funcionam com altas taxas de compressão e em geral utilizam um combustível derivado do petróleo, conhecido como óleo diesel. Atualmente, motores diesel pesados e de baixa rotação são usados na geração de energia elétrica e na propulsão de embarcações. Motores médios e de mais alta rotação são empregados na propulsão de locomotivas, veículo automotores e de uma grande variedade de máquinas industriais.

O tipo mais comum de MCI é o que utiliza gasolina como combustível. Outros tipos de combustível utilizados além do óleo diesel são o álcool, o GLP, o Hidrogênio, o Metano, o Propano, o gás de biomassa, etc. Os MCI tipicamente utilizam apenas alguns poucos tipos de combustível e mesmo assim exigem adaptações para a mudança de um tipo para o outro. Recentemente foram desenvolvidos alguns sistemas que se adaptam automaticamente à mudança de combustível. Um exemplo é o sistema Flex Fuel, da Bosch, que permite o uso de álcool ou gasolina. Outros tipos de MCI são as TG e os motores de foguete.

Em termos de geração de energia elétrica raramente se utiliza um MCI que não seja diesel. Em geral, o rendimento dos motores estacionários de grande porte é semelhante ao das TG e superior ao das TV. As maiores vantagens no seu uso são a facilidade de obtenção e manutenção do motor, sua maior eficiência e, no Brasil, o menor custo do combustível relativamente ao álcool e à gasolina. A utilização mais comum é em pequenas centrais, de até alguns MW, em hospitais, grandes lojas de departamentos, etc., inclusive em esquemas de cogeração. Nestes casos, a pequena central diesel serve tanto como central de auto-geração, quanto como central de emergência (em caso de falta de energia) ou ainda como central de pico, para evitar a sobretaxação. Alguns fabricantes, como a Rolls Royce produzem e comercializam unidades diesel de até 70 MW. A figura 4.2 mostra um grupo gerador de 2610 HP fabricado pela Cooper-Bessemer.

Fig. 4.2 – MCI diesel da Cooper-Bessemer, LSV12GD, HP 2610, 327 RPM e painel de comando (esq e em cima). Central Mitsubishi (dir. e em baixo)

Diversas classificações são possíveis para os MCI. As principais são:

• Quanto ao tipo de ignição do combustível • Quanto ao ciclo de funcionamento

1a. classificação: Quanto ao tipo de ignição do combustível

• Ignição por compressão • Ignição por centelha

Nos MCI com ignição por centelha, a mistura ar-combustível, depois de admitida e comprimida na câmara de combustão, é incendiado por uma centelha produzida pela passagem de corrente elétrica entre dois eletrodos num dispositivo geralmente denominado vela de ignição. Nos MCI com ignição por compressão, o ar é admitido na câmara de combustão, inicialmente sem o combustível, e depois comprimido. O combustível é então injetado e entra em combustão devido à alta temperatura do ar comprimido. Uma das vantagens deste tipo de MCI sobre o anterior é a ausência do sistema elétrico necessário à produção da centelha. A maior vantagem é, talvez, sua maior eficiência térmica.

2a. classificação: Quanto ao ciclo de funcionamento

• Motores de dois tempos • Motores de quatro tempos

Nos motores de quatro tempos, o ciclo é realizado em duas voltas completas do eixo de manivelas (ou virabrequim). MCI de quatro tempos podem ser de ignição por compressão ou por centelha. Em qualquer dos casos, os quatro tempos são: admissão, compressão, expansão e exaustão. Nos motores de dois tempos, o ciclo é realizado numa única volta completa do eixo de manivelas. MCI de dois tempos também podem ser de ignição por compressão ou por centelha. Em qualquer dos casos, os dois tempos são: admissão-compressão e expansãoexaustão. A maior vantagem dos MCI de dois sobre os de quatro tempos é sua grande simplicidade mecânica. A figura 4.23 ilustra o funcionamento de um motor dois tempos e a fig. 4.24 o de um de quatro. Animações dos dois tipos de motores podem ser encontradas em:

• http://science.howstuffworks.com/two-stroke2.htm • http://science.howstuffworks.com/engine.htm

Fig. 4.2 – Funcionamento de um MCI de dois tempos. Tempo de admissão e compressão (esq) e de expansão e exaustão (dir).

Fig. 4.23 – Funcionamento de um MCI de quatro tempos. Tempo de admissão (1), compressão (2), expansão (3) e exaustão (4).

Os principais componentes dos MCI diesel são:

• O conjunto cilindro-pistão • O conjunto biela-manivela

O funcionamento do MCI exige, entretanto, a presença de outros sistemas auxiliares, dentre os quais:

• Sistema de alimentação • Sistema de arrefecimento

• Sistema de exaustão

• Sistema de lubrificação

O conjunto cilindro-pistão é composto pelo cilindro, que é o espaço onde ocorre a combustão, e pelo pistão que é o êmbolo móvel destinado a comprimir a mistura, transformar a energia de pressão dos gases de combustão em trabalho mecânico e fazer a exaustão deles após a expansão. O conjunto biela-manivela e transforma o movimento linear de sobe-e-desce do pistão em movimento de rotação. As válvulas são os órgãos mecânicos que permitem a passagem unidirecional da mistura ou do ar para dentro do cilindro, ou dos gases de combustão para fora.

Como foi dito anteriormente, as fontes de energia podem ser classificados em renováveis e não renováveis e em esgotáveis e inesgotáveis. O período de tempo que separa as fontes esgotáveis das inesgotáveis é convencional, da ordem de 100 anos, que é a expectativa de duração das reservas petrolíferas. As mais importantes fontes inesgotáveis de energia são as seguintes:

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