“Tudo o que sei sobre poluição térmica é que, se continuarmos nossa taxa atual de crescimento no consumo de energia elétrica, simplesmente usaremos, no ano 2000, todos os nossos fluxos de água doce para resfriar os geradores e reatores.”
Todas as máquinas térmicas operam segundo um ciclo termodinâmico. Em alguns casos, o fluido de trabalho sofre uma série de mudanças, mas retorna ao estado inicial. As centrais a vapor se enquadram neste caso e diz que operam em ciclo fechado.
Em outros casos, o fluído de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico, apesar de passar por um ciclo mecânico. Isto significa que o fluído de trabalho, ao final do processo, apresenta combinação química diferente ou está em um estado termodinâmico diferente do original. Motores de combustão interna e das turbinas a gás se enquadram neste caso e, por isso, funcionam em ciclo aberto.
As máquinas térmicas também podem ser classificadas em: combustão interna e combustão externa. Na máquina de combustão externa o fluído de trabalho se encontra completamente separado do ar e do combustível. O calor da combustão passa para o fluído de trabalho através de trocadores de calor ou tubos.
A caldeira a vapor e o reator nuclear exemplificam as máquinas de combustão externa. A água normalmente funciona como o fluído de trabalho, e não entra em contato com os gases da combustão ou o combustível nuclear.
Por outro lado, a mistura de gases formados pela combustão funciona como fluido de trabalho nas máquinas de combustão interna. Os motores de combustão interna e as turbinas a gás exemplificam as máquinas de combustão interna utilizadas na geração de energia.
A grande vantagem das máquinas de combustão interna reside na ausência de trocadores de calor entre o processo de combustão e o fluído de trabalho. Isto simplifica o projeto e reduz as perdas inerentes aos processos de transferência de calor.
Do ponto de vista de geração de energia elétrica, as seguintes máquinas térmicas são importantes:
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- Turbinas a Vapor;
- Turbinas a Gás;
- Motores de Combustão Interna;
- Máquinas auxiliares;
- Caldeiras;
- Trocadores de Calor;
Turbinas a Vapor
As turbinas a vapor podem ser utilizadas com qualquer combustível, mas sua utilização concentrou-se em termelétricas que utilizam combustíveis sólidos; carvão, urânio e biomassa.
Turbinas a Gás
Utilizam-se as turbinas a gás em usinas termelétricas que utilizam combustível gasoso ou combustível líquido leve.
Motores de Combustão Interna
Finalmente, os motores de combustão interna podem ser utilizados em termelétricas movidas a combustível líquido e gasoso.
Finalmente, a escolha da máquina térmica depende dos aspectos econômicos e do combustível utilizado.
Máquinas Auxiliares
Outras máquinas térmicas tornam-se necessárias para complementar uma usina termelétrica.
A Caldeira a Vapor surge em primeiro lugar porque turbinas a vapor necessitam do vapor gerado pelas Caldeiras para funcionarem. O vídeo abaixo apresenta detalhes das modernas caldeiras utilizadas em usinas termelétricas a carvão.
Os Trocadores de Calor funcionam, de certa maneira, como Caldeiras a Vapor ao contrário. Isto é, o vapor ou fluido quente entra no equipamento por uma tubulação e água entra por outra tubulação para retirar calor do fluido mais quente. Este tipo de trocador de calor constitui equipamento indispensável em todas as usinas a vapor.
Porém, existem outros tipos de trocadores de calor. A Figura 4 apresenta um Recuperador de Calor utilizado para gerar vapor a partir dos gases de escapamento de turbinas a gás em usinas de Ciclo Combinado. Neste caso, os gases quentes emitidos a mais de 100 °C transformam água líquida em vapor.
Portanto, pode-se comparar os Trocadores de Calor com Transformadores Elétricos. Existem sempre dois circuitos onde circulam fluidos com temperaturas distintas, e a energia térmica flui de um para o outro.
Bibliografia
- BORGNAKKE, C., SONNTAG, R.E., Fundamentals of Thermodynamics, 8 edição, Wiley, 2013.
- POTTER, M.C., SOMERTON, C.W., Thermodynamics for Engineers, Schaum’s Outline of Theory and Problems, McGraw-Hill, 1995.