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pre projeto mini usina termoelétrica
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Pré-Projeto de Máquinas Térmicas – Mini Usina Termoelétrica
São Cristóvão - SE
Novembro de 2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Pré-Projeto de Máquinas Térmicas - Mini Usina Termoelétrica
Pré-projeto de um protótipo de uma Mini Usina
Termelétrica apresentado à disciplina de
Máquinas Térmicas, na turma T01, por solicitação
e orientação do Prof. Dr. Josegil de Araújo.
Cristiana Gusmão Moreira
Gabriel Nascimento dos Santos
Michell Anderson Souza Andrade
Gilmar Araújo dos Santos
Marcio Lindemberg Bezerra de Medeiros
São Cristóvão - SE
Novembro de 2015
SUMÁRIO
JUSTIFICATIVA .............................................................................................................................. 4
OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 5
A) OBJETIVOS GERAIS ........................................................................................................ 5
B) OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................................. 5
FORMULAÇÃO DO PROBLEMA DA PESQUISA ...................................................................... 6
FORMULAÇÃO DA HIPÓTESE DA PESQUISA ......................................................................... 7
METODOLOGIA DE PESQUISA E REFERENCIAL TEÓRICO ................................................. 8
ESBOÇO DE PROJETO .................................................................................................................. 9
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES ............................................................................................. 11
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................... 12
JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento econômico dos países está estreitamente associado ao aumento da
demanda energética. Sendo assim, estudos e o entendimento aprofundado das diversas matrizes
energéticas são fundamentais para o planejamento estratégico de cada nação.
O Brasil possui a matriz energética mais renovável do mundo industrializado com 45,3%
de sua produção proveniente de fontes como recursos hídricos, biomassa e etanol, além das energias
eólica e solar. Em função do grande potencial hídrico as usinas hidrelétricas são responsáveis pela
geração de mais de 70% da eletricidade do País. No Brasil, a energia termoelétrica é um recurso
estratégico, pois supre as necessidades energéticas durante os períodos de seca quando as
hidroelétricas não atendem toda a demanda.
Os números mais recentes da Aneel indicam que existem 1384 usinas termelétricas em
operação no Brasil. Os dados oficiais indicam ainda um perfil claro sobre as usinas termelétricas
brasileiras: estão concentradas no Sudeste (43%) e no Norte (26%), usam predominantemente
combustíveis fósseis (70%), com destaque para o óleo diesel, adotado em 829 das 1384 usinas em
operação, seguido pelo gás natural (6,7% do total de UTEs em operação). Um terço das unidades,
no entanto, adota a biomassa, mas essa quebra só acontece em função das 315 usinas que adotam
o bagaço de cana. E mais: trata-se de uma modalidade de usina concentrada em São Paulo, onde
estão 54% das operações que usam o bagaço como combustível.
Todas estas usinas em funcionamento podem gerar cerca de 15 mil MW de energia
(Megawatts), correspondendo a aproximadamente um quarto da capacidade do País.
Assim, o seguinte trabalho tem o intuito de investigar e desenvolver de forma prática os
princípios mecânicos e termodinâmicos de uma Mini Usina Termoelétrica.
OBJETIVOS
A) OBJETIVOS GERAIS
1. Ampliar os conhecimentos acerca dos ciclos termodinâmicos;
2. Analisar em termos práticos os conhecimentos adquiridos com relação às máquinas térmicas;
B) OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Construir um protótipo de uma mini usina termoelétrica;
2. Geração de energia elétrica através de uma máquina a vapor.
3. Identificar as etapas ocorridas durante o funcionamento de uma usina termoelétrica.
4. Analisar as transformações de energia ocorridas em cada etapa do processo.
FORMULAÇÃO DO PROBLEMA DA PESQUISA
O grupo elegeu fabricar o protótipo de uma mini usina termoelétrica por ser realizável sua
construção e por oportunizar visualmente a compreensão de assustos abordados em sala de aula.
As usinas termoelétricas têm seu funcionamento baseado em 4 estágios: aquecimento da
caldeira através de algum tipo de combustível, rotação da turbina, movimentação do gerador e
distribuição da energia pelas linhas de transmissão.
A energia vai para a usina como combustível fóssil, que ao ser queimado reage com o
oxigênio do ar e, assim, nesse processo denominado combustão, converte a energia química em
energia térmica. Uma certa porcentagem desta energia térmica é transferida para a caldeira e produz
vapor. 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.
A energia mecânica que sai da turbina é utilizada para movimentar o gerador elétrico que
por sua vez, converte uma grande proporção (alto rendimento) da energia mecânica que recebe, em
energia elétrica.
Um certo volume de energia elétrica volta a se transformar em calor.
Em última análise, toda a energia aparece de novo como energia térmica ou convertida em
outras formas de energia.
Suas vantagens são: rápidas para se construir em comparação com usinas hidrelétricas,
podendo assim munir carências de energia de forma eficiente; outro ponto positivo é que elas
podem ser instaladas próximos às regiões de consumo, isso reduz o custo com torres e linhas de
transmissão.
Suas desvantagens: liberação de poluentes na atmosfera e custo final mais elevado do que
em hidrelétricas.
FORMULAÇÃO DA HIPÓTESE DA PESQUISA
Para a construção do protótipo será utilizada uma panela de pressão de uso doméstico para
gerar o vapor, onde serão instalados um manômetro de pressão e uma válvula de regulagem de
fluxo, com o intuito de promover o aumento de pressão interna da panela até que seja atingida a
pressão de trabalho. Para o fornecimento de calor na unidade geradora de vapor será utilizado um
fogão com GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Quando for atingida a pressão de trabalho, a válvula
de regulagem de fluxo será liberada, dando início ao funcionamento da turbina. O príncipio de
funcionamento é igual a qualquer outra máquina térmica, transformando a energia térmica em
mecânica produzida pela passagem de vapor. O vapor será diretamente ejetado (turbina) em uma
ventoinha, a qual produzirá trabalho. Testes serão realizados fixando essa ventoinha a um motor de
baixa voltagem. Esse trabalho realizado pela vetoinha e motor (gerador), deverá gerar energia
elétrica em um LED. A máquina térmica terá como fonte fria o ambiente e fonte quente o gás em
combustão.
Figura 1- Esboço Ciclo Máquina térmica.
METODOLOGIA DE PESQUISA E REFERENCIAL TEÓRICO
A metodologia utilizada para o trabalho foi dividida em 7 partes:
Revisão bibliográfica – onde foi reunido todo conhecimento necessário para a realização
do trabalho.
Elaboração do projeto de construção da máquina térmica – onde o grupo irá projetar o
protótipo a ser apresentado em sala de aula.
Dimensionamento e desenho do protótipo – etapa de cálculos e desenho no software Solid
Works.
Fabricação do protótipo – etapa de construção e testes de funcionamento.
Elaboração do projeto em formato científico – onde será feito o trabalho escrito explicando
de maneira elucidativa todas as etapas de construção do protótipo.
Revisão geral e ajustes do projeto – etapa em que será realizada uma revisão do trabalho
escrito e dos últimos ajustes do protótipo, caso necessário.
Apresentação do protótipo e entrega do projeto – entrega do projeto escrito ao professor e
apresentação em sala de aula do protótipo funcionando.
Ao pesquisar referencial teórico para a realização desse projeto pode-se constatar que
existem vários tipos de protótipos e algumas variações em pequenos detalhes no tipo escolhido
pelo grupo.
ESBOÇO DE PROJETO
Iniciamos o projeto com o objetivo da construção de uma máquina térmica baseada
principalmente nos conceitos de caldeiras a vapor. Nesse tipo de sistema, a água é aquecida em um
recipiente fechado, onde posteriormente o vapor da água é aproveitado. Testes serão feitos com
uma panela de pressão.
Abaixo estão os primeiros esboços para o projeto feito no Solidworks.
Figura 2- Esboço do protótipo no SolidWorks.
A principio, utilizaremos uma panela de pressão. Elas já possuem o escape do vapor na
parte superior, além de possuir uma válvula de segurança. Além disso, possuem tampas que vedam
hermeticamente.
Estudaremos também a possibilidade de aplicar um extintor como caldeira. O grande
problema pode se dar na sua fabricação, ou alteração da sua estrutura, para instalação da válvula
de segurança e conexões.
A estrutura será fabricada em alumínio, por ser um material maleável e de baixa densidade.
Possívelmente a fixação dos seus componentes será feita por processo de fabricação de rebitagem.
Figura 3- Esboço do protótipo no SolidWorks.
A condução do vapor poderar ser feita por tubos de PPR (polipropileno) soldados por
termofusão, ou por mangueira. Estudaremos como fixar a válvula em mangueiras.
Para fins de segurança e verificação, instalaremos um pressostato, que nos informará a
pressão da linha no momento em que o vapor for gerado pela caldeira. Além desse item,
estudaremos um tipo de automação simples, com solenoide. Essa válvula atuará como elemento de
segurança e também controle automático, pois mantém a pressão interna de todo o sistema em
níveis seguros de utilização quando utilizada junto a um pressostato.
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES
Tarefa out/2015 nov/2015 dez/2015
S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4
Revisão bibliográfica
Elaboração do projeto de construção da
máquina térmica
Dimensionamento e desenho do protótipo
Fabricação do protótipo
Elaboração do projeto em formato
científico
Revisão geral e ajustes do projeto
Apresentação do protótipo e entrega do
projeto
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
NETTO, Prof. Luiz Ferraz. Usina termelétrica: Fluxo das energias. 2011. Disponível em:
http://www.feiradeciencias.com.br/sala12/12_T08.asp. Acesso em: 08/11/2015
PORTAL BRASIL. Matriz energética. 2010. Disponível em: http://www.brasil.gov.br/meio-
ambiente/2010/11/matriz-energetica. Acesso em: 09/11/2015
As Termelétricas na geração de energia no Brasil. 2010. Disponível em:
http://www.grandesconstrucoes.com.br/br/index.php?option=com_conteudo&task=viewMateria
&id=343. Acesso em: 10/11/2015