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Usina termelétrica
(Fluxo das energias)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Introdução
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. É o que propomos mostrar aqui.

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.

Rendimentos
A tabela abaixo mostra, aproximadamente, a que se reduzem cada 100 unidades de energia térmica existentes inicialmente no carvão, numa boa e eficiente usina termelétrica da atualidade, operando nas melhores condições.

Rendimentos nas conversões de energia
Local Forma de
energia
Rendimento
por cento
Unidades
energia convertidas
Carvão
Caldeira
Turbina
Gerador
Sistema de transmissão
(até a utilização)
Transformadores de subestação
Motores grandes (média)
Motores pequenos (média)
Lâmpadas
Química
Térmica
Mecânica
Elétrica

Elétrica
Elétrica
Mecânica
Mecânica
Luminosa
..........
85
30
96

80
98
85
65
3,5
100,0
85,0
25,5
24,5

19,6
19,2
16,3
12,5
0,67

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 (nesta 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 às setas azuis, indicam a potência transportada de uma etapa para outra; as letras minúsculas (a, b etc.), junto às setas pretas, indicam as perdas de potência nessas etapas. Y é a energia mecânica disponível nos eixos dos motores, a cada segundo de funcionamento. Na linha inferior estão indicados os rendimentos (n) nas diversas etapas.

As potências transportadas e as de perdas são as abaixo indicadas, expressas em duas unidades; uma do Sistema Internacional, kW = 103 W e outra do Sistema Inglês, BTU/s.

X - 100 000 kW = 94 800 BTU/s, chegam à caldeira;
a - 15 000 kW = 14 230 BTU/s, perdas na caldeira;
A - 85 000 kW = 80 630 BTU/s, para a turbina a vapor;
b - 59 500 kW = 56 500 BTU/s, perdas na turbina;
B - 25 500 kW = 24 189 BTU/s, para o alternador;
c - 1 020 kW = 968 BTU/s, perdas no alternador;
C - 24 500 kW = 23250 BTU/s, para o sistema de transmissão;
d - 4 900 kW = 4 650 BTU/s, perdas na transmissão;
D - 19 600 kW = 18 600 BTU/s, para o transformador;
e - 390 kW = 370 BTU/s, perdas no transformador;
E - 19 200 kW = 18 220 BTU/s, para os motores;
-- - (as perdas estimadas nos motores foram de 2 880 kW)
Y - 16 320 kW = 15 487 BTU/s = 21 900 HP, potência disponível nos motores.

Comentários
Para simplificar a esquematização, muitos detalhes secundários foram omitidos, como chaves, trafo-elevadores, barras-gerais etc.
Deve ser observado, todavia, que o rendimento parcial com turbinas a vapor, mesmo numa moderna instalação do tipo, é bem pouco econômica, pois converte apenas 30% do total de energia térmica recebida, em energia mecânica a ser entregue para o alternador. O rendimento total, nas melhores usinas do tipo, ainda não é alto, visto que, do carvão até os motores elétricos (do exemplo), aproveitam-se apenas 19,2 %. Se for levado em conta a eficiência dos motores, lâmpadas e outros aparelhos, o rendimento global cairá ainda mais.

Falta aqui, e isso é absolutamente indispensável, os comentários sobre os efeitos nocivos à natureza do uso de tal tipo de usina; mas, infelizmente, essa não é minha praia. Aceitarei, de bom grato, os comentários pertinentes a esse tema. Todavia, sejam justos. Léo.

 


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