O documento descreve diversos equipamentos termodinâmicos, incluindo: 1) Centrais termoelétricas, que convertem energia térmica em energia elétrica por meio de turbinas a vapor; 2) Turbinas a gás, usadas em usinas de ciclo combinado; 3) Caldeiras de recuperação de calor, que recuperam calor dos gases de exaustão das turbinas a gás.

1. Sumário
Equipamentos Termodinâmicos
1. Introdução a Equipamentos Termodinâmicos ............................................02
2. Central Termoelétrica....................................................................................02
3. Turbina a Gás..................................................................................................03
4. Caldeira de Recuperação de Calor (HRSG).................................................05
5. Motor a Vapor.................................................................................................06
6. Motor Químico de Foguete.............................................................................07
7. Geradores de Vapor........................................................................................07
7.1. Aquatubular................................................................................................08
7.2. Flamatubula................................................................................................09
8. Aquecedor de Fluido Térmico .......................................................................09
Superfície Termodinâmica
9. Superfície Termodinâmica...............................................................................10
9.1. Introdução a Superfície Termodinâmica..........................................10
9.2. Conceitos Básicos.................................................................................10
10. Referências Bibliográficas...............................................................................12
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2. 1. Introdução a Equipamentos Termodinâmicos
Neste trabalho, grande parte dos exemplos e problemas apresentados se referem a
processos que ocorrem em equipamentos termodinâmicos tais como: centrais
termoelétricas, refrigeradores por compressão de vapor, resfriadores termoelétricos,
foguetes e equipamentos de decomposição do ar, entre outros. No desenvolvimento
do trabalho iremos dar uma descrição destes equipamentos, este a qual incluirá uma
breve introdução à aplicação da termodinâmica em tais determinados aparelhos.
2. Central Termoelétrica
O desenho esquemático de uma central termoelétrica é apresentado na Figura 2.1.
Vapor superaquecido e sob alta pressão deixa a caldeira, que também é chamada de
gerador de vapor, e entra na turbina. O vapor se expande na turbina e o fazendo,
realiza trabalho, o que possibilita à turbina impelir o gerador elétrico. O vapor em
baixa pressão deixa a turbina e entra no condensador, onde há transferência de calor
do vapor (condensando) para a água de refrigeração. Como grande quantidade de
água de refrigeração é necessária, as instalações de força são frequentemente
instaladas perto de rios ou lagos.
Quando o suprimento de água de refrigeração é limitado, uma torre de resfriamento
deve ser usada. Na torre de resfriamento uma parte de água de refrigeração evapora
de maneira a abaixar a temperatura da água que permanece líquida.
A pressão do condensador, à saída do condensador, é aumentada na bomba,
permitindo ao condensado, portanto, entrar no gerador de vapor. Em muitos
geradores de vapor usa-se um economizador. Um economizador é simplesmente um
trocador de calor no qual se transfere calor dos produtos de combustão
(imediatamente após deixarem o gerador de vapor) para os condensado; como
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Figura 2.1 Desenho Esquemático de Central
Termoelétrica

3. resultado a temperatura do condenado é elevada, mas não há vaporização. Noutras
partes de geradores de vapor, transfere-se calor dos produtos de combustão para a
água, vaporizando-a. A temperatura em que se dá a vaporização é chamada
temperatura de saturação. O vapor flui então para outro trocador de calor, chamado
superaquecedor, no qual a temperatura do vapor é elevada acima da temperatura de
saturação.
Em muitas instalações geradoras de potência utiliza-se ar pré-aquecido, para
combustão, transferindo-se calor dos gases ao saírem da fornalha. Este ar é então
misturado com o combustível - o qual pode ser carvão, óleo combustível, gás natural
ou material combustível – e a combustão se realiza na fornalha. À medida que os
produtos da combustão passam pela fornalha, transfere-se calor para água do
superaquecedor, gerador de vapor, economizador, e para o ar pré-aquecedor de ar.
A figura 2.2 mostra uma turbina a vapor e o gerador por ela acionado. A capacidade das
turbinas de vapor varia desde 10 KW até 1.000.000 KW.
3. Turbina a Gás
Os principais elementos das termelétricas de ciclo combinado são as turbinas a gás,
uma tecnologia em grande parte proveniente dos jatos desenvolvidos para as
aeronaves militares e civis, onde o combustível é o querosene. Nas termelétricas, o
combustível mais utilizado é o gás natural, embora seja quase sempre dada a
possibilidade de operar com um segundo combustível, como o óleo diesel, por
exemplo, para evitar interrupções no caso de problemas no suprimento do gás.
Podemos distinguir três componentes principais em uma turbina a gás:
• O compressor;
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Figura 2.2 Turbina a Vapor

4. • A câmara de combustão (CC);
• A turbina propriamente dita.
Figura 3.1 Esquema de uma Turbina a Gás
A turbina é uma fonte de acionamento mecânico tanto do compressor como do
gerador elétrico. Como mencionado, uma turbina a gás consiste basicamente de um
compressor com sua respectiva seção de entrada de ar, uma sistema de combustão e
uma turbina de expansão associada à seção dos gases de escape.
Durante a partida, inicialmente, a turbina necessita de um sistema de arranque para
pôr o compressor em funcionamento. Assim que este alcança uma dada velocidade, o
ar atmosférico é aspirado, comprimido e conduzido à câmara de combustão, onde é
misturado ao combustível (líquido ou gasoso). A energia resultante da combustão
libera gases quentes que se expandem através da turbina, produzindo energia
mecânica. Desprezando as perdas, uma parte desta energia mecânica é utilizada para
o acionamento do compressor, sendo a outra parte empregada no acionamento de um
gerador síncrono trifásico.
A estabilidade da combustão, bem como a temperatura na seção da turbina, é
mantida através do controle da relação ar/combustível. O ar atmosférico captado pelo
compressor é comprimido (pressão aproximada de 13 bar e temperatura aproximada
de 375 °C) e direcionado para o combustor. Após passar pelo combustor a
temperatura se eleva para 1250 °C, aproximadamente, devido à queima do gás. Em
seguida a mistura é direcionada para o acionamento da turbina, a pressão é reduzida
à pressão atmosférica e a temperatura para aproximadamente 550 °C (gases de
exaustão da turbina). Se uma turbina estiver operando isoladamente (ciclo simples),
como nas aeronaves, sua eficiência térmica é baixa, da ordem de 36%, ou seja, cerca
de 64% do calor gerado pela queima do combustível é perdido nos gases de
exaustão. Poder-se-ia elevar esta eficiência térmica através da elevação de
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Figura 3.2 Turbina a Gás

5. temperaturas e pressões de entrada, porém isto elevaria demasiadamente o custo de
construção e manutenção dos equipamentos do processo, inviabilizando o projeto.
A figura abaixo apresenta um arranjo típico de uma turbina a gás em ciclo simples,
apresentando a distribuição de energia de entrada e saída:
Figura 3.3 Turbina a Gás em ciclo simples
As turbinas a gás são ótimas máquinas para a produção de energia elétrica em ciclo
simples ou co-geração, principalmente ao ser utilizado o gás natural ao invés de
combustíveis líquidos. Quando se utiliza o gás natural como combustível, as
emissões de poluentes, tais como NOx, SO2 e CO, são muito baixas.
Em contrapartida, os combustíveis líquidos são conhecidos por acarretarem
problemas de manutenção devido à presença de elementos químicos e sais que
aceleram a corrosão dos componentes que se encontram na câmara de combustão e
no caminho dos gases quentes.
4. Caldeira de Recuperação de Calor (HRSG)
As usinas de ciclo combinado têm como um dos seus principais elementos um
gerador de vapor capaz de recuperar parte do calor dos gases de exaustão das
turbinas a gás. Este gerador de vapor, ou caldeira, é normalmente conhecido pela
sigla de origem inglesa HRSG (Heat Recovery Steam Generator), que significa
Caldeira de Recuperação de Calor. Usando um HRSG, a eficiência térmica eleva-se
substancialmente, como se vê na figura abaixo, pois o vapor assim produzido aciona
uma turbina, sem necessidade de queima de combustível adicional.
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Figura 4.1 Esquema de uma Caldeira de Recuperação de Calor

6. A temperatura máxima que pode ser obtida no vapor depende da temperatura dos
gases de exaustão da turbina a gás, que é da ordem de 550 °C. A quantidade de vapor
produzido é suficiente para acionar uma turbina a vapor capaz de gerar a metade da
energia elétrica da turbina a gás correspondente. Em conseqüência, uns dos arranjos
clássicos de uma usina de ciclo combinado são duas turbinas a gás e uma a vapor,
todas da mesma capacidade (por exemplo 150MW em cada turbina a gás e 150MW
na turbina a vapor).Os HRSGs podem ser projetados para ir de encontro às
necessidades de qualquer instalação industrial. Existe uma grande variedade de
HRSGs, desde os que funcionam segundo o ciclo sem reaquecimento e pressão única
até os de ciclo com reaquecimento simples/múltiplo e tripla pressão. Há ainda a
possibilidade de produção de vapor com uma combustão suplementar. O gás de
exaustão proveniente da turbina a gás ainda contém oxigênio, o que permite a
queima suplementar de combustível, se for desejado vapor a temperaturas mais
elevadas ou em maior quantidade.
5. Motor a vapor
O diagrama a seguir mostra os componentes principais de um motor a vapor de
pistão. Este tipo de motor seria característico numa locomotiva a vapor.
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Figura 4.2 Caldeira de Recuperação de
Calor
Figura 5.1 Esquema de um Motor a Vapor

7. O motor mostrado é um motor a vapor de dupla atuação porque a válvula permite
vapor sob alta pressão entrar alternadamente em ambos os lados do cilindro. A
válvula corrediça é responsável por permitir que o vapor em alta pressão entre em
qualquer lado do cilindro. A haste de comando da válvula é geralmente conectada a
uma ligação com a cruzeta, de modo que seu movimento faça a válvula funcionar
deslizando. Na locomotiva a vapor, este arranjo também permite ao maquinista fazer
o trem dar ré. Neste diagrama que o vapor, depois de usado, é simplesmente
expelido, saindo para a atmosfera.
6. Motor Químico de Foguete
O advento dos mísseis e satélites promove o uso do motor de Foguete como instalação
propulsora. Os motores químicos de foguetes podem ser classificados tanto como de
combustível líquido quanto de combustível solido dependendo do tipo de propelente
utilizado.
A figura 6.1 mostra um diagrama simplificado de um foguete movido a combustível liquido.
O oxidante e o combustível são bombeados através da placa injetora para a câmara de
combustão onde esta ocorre uma alta pressão. Os produtos da combustão em alta
temperatura e alta pressão expandem-se ao escoarem-se através do bocal, resultando assim
uma alta velocidade de saída do mesmo. A variação de quantidade de movimento associada
com o crescimento da velocidade fornece o empuxo sobre o veiculo.
7. Geradores de Vapor
Existem vários tipos de geradores de vapor; mas os darei ênfase aos dois tipos mais
conhecidos:
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Figura 6.1Esquema de um motor de foguete que utiliza combustível líquido

8. Figura 7.1 Sistema de um gerador de vapor
7.1 Aquatubular
São Geradores de Vapor em que a água esta por dentro dos tubos e os gases estão por
fora dos tubos. Trabalham com Pressão de 8,0 até 120 kg/cm2 ou 8 a 120 bar, com
taxa de evaporação da ordem de 30 a 45 kg/m2 dependendo da concepção da mesma,
com fornalhas em parede de água e alta taxa de convecção, em nosso pais utiliza-se
este tipo de gerador (caldeira), nas Usinas de cana de açúcar, para fabricação do
álcool, as usinas no inicio trabalhavam com Pressões de 21 bar, hoje elas estão
trabalhando com Pressões de 48 bar e até 72 bar, com objetivo de gerar energia
elétrica para venda, sendo uns dos produtos ofertados além do açúcar e álcool.
Figura 7.1.1 Gerador Aquatubular
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9. 7.2 Flamatubular:
São geradores de vapor em que os gases quentes estão por dentro dos tubos e a água
por fora, essas caldeiras se destinam a pressões na faixa de 0 a 15 bar, trabalhando a
maioria até 10 bar, em laticíos, curtumes, frigoríficos, fábricas de bebidas em geral.
Trabalham com taxa de evaporação da ordem de 18 kg/m2 e máximo 35 kg/m2
dependendo da forma de construção da mesma um dois ou três passes dos gases nos
tubos.
Um dos fatores de conservação das caldeiras está no tratamento de água, sendo que
caldeiras, com boa condição de manutenção em seus acessórios e um bom tratamento
com instalação abrandadores, e empresas especializadas cuidando do tratamento da
água eleva em muito a sua vida útil, caldeiras com águas de péssima qualidade não
tratadas podem sofrer com perda de rendimento, aumento do consumo de
combustível até colapso da mesma por níveis de incrustações altos.
A água em caldeira é tudo, desde o principio de que a mesma tem como objetivo
principal a troca térmica com combustível que aquece uma massa metálica, que em
contato com a água gerar vapor, serve também pelo princípio de projeto e construção
a refrigeração das chapas dos tubos, coletores, balões, mantendo a mesma em
temperaturas que não ultrapasse seu limite de resistência com aquecimento, portanto
é muito importante que ela esteja com padrões de uso aceitáveis que não venham a
incrustar as partes metálicas que estão em contato com a mesma, que não seja
corrosiva e os dispositivos que alimentam as caldeiras, bombas, injetores, turbo
bombas devem estar sempre em bom estado de conservação e possam manter as
partes metálicas com água para que não venha ocorrer o colapso da mesma, níveis de
águas abaixo dos níveis de operação ou a falta do mesmo leva a acidentes graves sem
condições de ser mensuráveis.
8. Aquecedor de Fluido Térmico
Utilizado em processo industrial que requer alta temperatura. Consiste de câmara de
combustão serpentinada, por onde circula o óleo a ser aquecido, através de gases de
combustão. O sistema opera na temperatura de até 300ºC com óleo mineral e 380ºC com
óleo sintético, pressurizado com gás inerte.
Os parâmetros de temperatura, velocidade e nível do óleo no sistema são controlados para
evitar craqueamento do óleo e conseqüente colapso do sistema. O aquecedor é projetado
considerando especificação do óleo térmico, tipo de combustível e características da
combustão. Os combustíveis utilizados são:
-óleo leve / pesado
- gás natural / GLP / outros gases
- biomassa / lenha / cavaco / outros
A interligação do aquecedor com os consumidores de calor requer projeto adequado em
função da variação de temperatura exigida no consumidor, distância entre aquecedor e
consumidor. A TENGE está apta a fornecer toda orientação necessária bem como a
execução do projeto, possibilitando instalação compatível com a necessidade do cliente a
um custo/benefício adequado. Fabricamos aquecedor de recuperação para processo
industrial onde haja possibilidade aproveitamento calor residual.
Fabricação abrange potência de 100.000 kcal/h até 10.000.000 kcal/h, podendo atingir
20.000.000 kcal/h sob consulta.
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10. Figura 8.1 Sistema de um aquecedor de fluido térmico
9. Superfície Termodinâmica
9.1 Introduções a Superfície Termodinâmica
A termodinâmica faz parte do conjunto básico de disciplinas ministradas na
engenharia, e como uma disciplina básica fornece subsídios para a solução de
problemas práticos e compreensão dos fenômenos presentes no dia a dia do
engenheiro. Uma parte importante do curso introdutório à termodinâmica é aquela
que trata das substâncias e suas propriedades. Sem exageros, pode-se dizer que é
indispensável o pleno domínio dos conceitos que são transmitidos nessa fase do
aprendizado, pois, disciplinas posteriores utilizarão exaustivamente todos eles.
Exemplos como geração de vapor, máquinas de fluxo, condicionamento de ar e
refrigeração, psicrometria, são apenas alguns entre os inúmeros casos de aplicação
das definições adquiridas com o estudo das substâncias.
Na seção 2 são apresentados conceitos básicos, encontrados nos livros de
termodinâmica e na seção 3 é feita a comparação entre a representação esquemática e
o modelo físico.
9.2 Conceitos básicos
Uma breve revisão dos conceitos é apresentada nessa seção. Todas as considerações
são para uma substância pura, ou seja, mesmo que apresente mais de uma fase
possuirá composição química invariável e homogênea para todas as fases. É também
importante mencionar que apenas serão analisadas as fases líquidas e vapor das
substâncias (bem como a região de saturação), não interessando para este trabalho o
estado sólido.
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11. Figura 9.2.1 Representação esquemática da superfície termodinâmica e projeções nos planos
Temperatura - pressão, volume específico - pressão e volume específico – temperatura.
Considerando uma substância pura no estado líquido que sofre uma diminuição de
pressão, em um processo isotérmico, é possível verificar que em uma dada pressão,
de valor bem estabelecido, inicia-se o processo de mudança de fase. A essa pressão
dá-se a denominação de pressão de saturação, que permanece constante até a
completa mudança de fase. Associado a cada pressão de saturação há um estado em
que a substância se encontra apenas na fase líquida (líquido saturado) ou apenas na
fase de vapor (vapor saturado). O valor da pressão de saturação é função exclusiva
da temperatura (veja Fig. 9.2.1b). A curva resultante da união de todos os estados de
equilíbrio, para diversas temperaturas, é denominada curva de saturação ou bi nodal
(veja Fig. 9.2.1a). Em alguns casos é possível que, sob determinadas condições, em
um processo isotérmico a pressão do líquido seja menor que a pressão de saturação
(correspondente à temperatura da substância) e, ainda assim, não tenha ocorrido
mudança de fase, contudo, nesta abordagem o fenômeno descrito não será discutido).
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12. O comportamento de interesse é aquele previsto pela termodinâmica do equilíbrio
estável onde atingida a pressão de saturação há obrigatoriamente mudança de fase.
Deste modo, se para uma dada temperatura a pressão é maior que a pressão de
saturação, o fluido estará no estado líquido, daí o nome líquido comprimido. O
mesmo ocorre se para uma dada pressão o fluido tiver temperatura menor que a
temperatura de saturação e por esse motivo, em diversos livros texto esse estado é
conhecido como líquido subresfriado. Se as condições forem exatamente inversas às
descritas anteriormente temos vapor superaquecido (temperatura maior que a
temperatura de saturação ou pressão menor que a pressão de saturação). Há um caso,
no entanto, onde a isobárica (ou isotérmica) ocorre a uma determinada pressão (ou
temperatura) em que o volume específico do líquido saturado é exatamente o mesmo
do vapor saturado, no diagrama (veja Fig. 9.2.1) a mudança de fase é representada
por um ponto, conhecido como ponto crítico e todas as propriedades são
denominadas críticas (pressão crítica, temperatura crítica, etc.). Acima da
temperatura ou pressão crítica não são mais usuais os termos líquido ou vapor,
apenas fluido.
10. Referências Bibliográficas
1. Van Wylen, Gordon John; Richard Sonntag. Fundamentos da
Termodinâmica Clássica. 1° ed. São Paulo: Edgard Blucher Ltda, 1973 v.1
616p.
2. < http://ciencia.hsw.uol.com.br/motor-a-vapor1.htm>. Acesso em: 21 abr.
2010.
3. <http://pt.shvoong.com/exact-sciences/engineering/1766923-geradores-
vapor>. Acesso em: 21 abr. 2010.
4. <http://www.pantanalenergia.com.br/operation.asp >. Acesso em: 20 abr.
2010.
5. <http://www.tenge.ind.br/equipamentos_caldeiras.htm >. Acesso em: 20
abr. 2010.
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