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Curso de Turbinas a Vapor

Centro de Tecnologia CanavieiraHelcio Martins Lamonica

2 005

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Tipos de Vapor Vivo (alimentação)

• Vapor saturado

• Vapor superaquecido

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Aplicação da Turbina a Vapor

Bagaço Caldeira

TG – Extração e contrapressão

Vapor 20 kg/cm² 300ºC

Vapor 2,5 barProcesso

Turbinas AM

Calor para o processo

• Conversão da energia térmica em trabalho mecânico

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Princípio de Funcionamento• Analogia com o motor a vapor

TRABALHO

VAPORENTRADA

VAPORSAÍDA

Motor a Vapor

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Princípio de Funcionamento

• Introdução do conceito de bocais– Bocal convergente– Bocal divergente– Força e trabalho em função da velocidade da

palheta

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Bocal Convergente / Divergente

JATODE

VAPOR

VAPOR

P1 P2 >= 0,53 P1

Bocal Convergente

PR

JATODE

VAPOR

VAPOR

P1 P2 < 0,53 P1

Bocal Divergente

PR

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Força e Trabalho

V1

V2 = V1

Fmáx

VP = 0

a)

V1

V2 = V1 / 2

0,75 x Fmáx

VP = V1 / 4

b)

V1

V2 = 0

0,5 x Fmáx

VP = V1 / 2

C)

0

0,25

0,5

0,75

1

0 0,25 0,5 0,75 1Vp/Vv

Forç

a e

Trab

alho

Rel

ativ

os

Trabalho = F x Vp

Força

Força e Trabalho f(Vp/Vv)

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Detalhes Construtivos• Bocais• Palhetas fixas e móveis• Diafragmas• Rotor• Carcaças• Vedações de vapor

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Bocais

10

Bocais

11

Bocais – Endoscopia

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Câmara de Vapor

13

Câmaras de Vapor

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Palhetas Móveis

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Palhetas Móveis

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Palhetas Móveis

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Palhetas Móveis - Arranjos

18

Palhetas com Calço Integrado

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Palhetas Móveis

20

Palhetas Móveis

21

Palhetas Fixas

22

Diafragmas

23

Diafragmas

24

Fluxo Vapor – Diafragma/Palhetas

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Distribuição de Força

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Distribuição de Velocidade

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Rotor

28

Rotor

29

Carcaça

30

Carcaça Interna

31

Carcaça Dupla - Montagem

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Vedações de Vapor

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Labirintos

34

Labirintos

35

Anéis Vedação de Carvão

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• Mancais– Conceitos de lubrificação

• Por anéis• Forçada

– Mancais radias• Rolamentos• Deslizamentos• Pastilhas oscilantes

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Mancal - Lubrificação com Anel

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Tipos de Mancais de Deslizamento

Mancal Circular

Eixo

Mancal

Mancal Oval

Eixo

Mancal

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Mancais de Deslizamento

Mancais de Rolamento

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– Mancais axiais ou de escora• Rolamentos• Deslizamento• Pastilhas oscilantes

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Mancal Axial e Radial de Pastilhas Oscilantes e Vedação de Óleo

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Sistema de Lubrificação

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• Acoplamentos– Rígido– Pinos– Engrenagens (lubrificação)– Grade– Membranas (ou lâminas)

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Acoplamento Rígido

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Acoplamentos Flexíveis

Acoplamento de Lâminas

Acoplamentode Engrenagem

Acoplamento de “Grade”

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Classificação

• Quanto ao princípio de funcionamento– Ação– Reação– Ação com mais de um estágio de velocidade

• Quanto ao número de estágios de pressão– Simples estágio– Multi-estágio

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• Quanto a direção do fluxo de vapor– Axial– Radial– Radial-axial

• Quanto a pressão de escape– Contra-pressão– Condensação

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• Quanto ao número de válvulas de regulagem– Mono válvula– Multi-válvulas

• Quanto ao processo térmico– Sangria / extração– Com reaquecimento intermediário

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Ação / Reação

50

Ação / Reação

51

Ação

52

Número de Estágios de Pressão

53

Simples Estágio

54

Turbina Multiestágio

55

Direção do Fluxo de Vapor

Axial Radial

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Número de Válvulas Regulagem

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Contrapressão / Extração

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Contrapressão / Extração

59

Condensação / Reaquecimento

60

Condensação / Extração

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Reguladores de Velocidade;

• Tipos– Mecânico– Hidráulico– Pneumático– Eletrônico

• Princípio de funcionamento

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Tipos de Regulagem• Regulagem direta

• Regulagem indireta

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Regulagem Indireta – TG Contrapressão

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Regulagem Indireta – TG Extração e Condensação

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Classe deregulagem

Queda máx. develoc. (DROOP)

%

Variação máx.de veloc. (%)

Máx. acréscimode vel. (%)

A 10 0,75 13B 6 0,50 7C 4 0,25 7D 0,5 0,25 7

Queda de Velocidade (DROOP)Classificação segundo NEMA SM-23

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Curva de DroopComportamento de um regulador com 10% de droop na retirada de carga

9092949698

100102104106108110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Carga %

Vel

ocid

ade

%

Dro

op 1

0%

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Sistema de Segurança

• Dispositivo de desarme por excesso de velocidade (trip)

• Falha do equipamento acionado• Baixa pressão de óleo de lubrificação• Etc.

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Diagrama de Proteção e Controle

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Operação

Seguir sempre as recomendações dos fabricantes.

As informações deste treinamento são genéricas e apenas orientativas.

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Esquema típico de admissão e escape da turbina

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• Choque térmico

• Golpe (ou arrastamento) de água

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Operação de turbinas- Preparativos preliminares (considerando a turbina e

tubulações frias)- Nível de óleo do reservatório- Regulador de velocidade na posição mínima- Válvula do fecho-rápido fechada- Ligar bomba elétrica de óleo- Manter a água do resfriador fechada até obter óleo a

35 C- Abrir todos os drenos diretos da turbina- Abrir os drenos e purgadores da tubulação de vapor

vivo e de escape

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- Verificar se a válvula de bloqueio da “RÉ” está fechada

- Abrir cuidadosamente a válvula de bloqueio do escape, aguardar até que a turbina esteja aquecida

- Abrir cuidadosamente a válvula de bloqueio do vapor vivo drenando a tubulação até completar a aberturaA turbina estará pronta para operação quando sua

carcaça estiver bem aquecida e o óleo acima de 25º C

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Colocação em operação

• Partida a frio– Máquina parada a mais de 2 horas

• Partida a quente– Máquina parada a menos de 2 horas

• Partida rápida– Partida logo após a um desarme (5 minutos)

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Partida a frio

– Armar o dispositivo do fecho-rápido– Abrir lentamente o volante do fecho rápido:

• 500 rpm - 10 minutos.• 3.000 rpm - 5 minutos.

– Prosseguir a elevação da rotação até que o regulador assuma o controle, abrir totalmente a VFR

– Elevar a rpm até a nominal pelo reguladorOBS.: Nunca travar as válvulas de vapor abertas, sempre voltar ¼ de volta.

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Parada da turbina

– Retirar a carga (se houver)– Reduzir a rotação pelo regulador– Acionar o desarme de emergência– Ligar a bomba auxiliar de óleo– Fechar totalmente a VFR– Manter a bomba ligada e a circulação de água

até que o óleo atinja 30º C– Fechar as válvulas de bloqueio (parada longa)

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Turbina Multi-estágio

Operação de Turbo-gerador

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Diagrama de Partida

Exemplo Turbina A-50:

Diagrama de Partida Turbo A-50

0 4 8 12 16 20 24 28 32

Temp de Partida (min.)

1500 rpmturbina

360 rpmgerador

5500 rpmturbina

1320 rpmgerador

7500 rpmturbina

1800 rpmgerador rpm nominal

zero de carga

100% de carga

Reg

ião

de d

e au

men

to d

e ro

taçã

o

Reg

ião

de a

umen

to d

e ca

rga

Partida a frioPartida a quente

desligar a bombaelétrica

1440 rpmgerador

6000 rpmturbina

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Comentários Gerais

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O que são multiválvulas ?

• Normalmente as turbinas simples estágio possuem apenas uma válvula de regulagem

• Quando a turbina possuir mais de uma válvula de regulagem é chamada multiválvula

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Quando usar multiválvulas ?

• Turbinas acionam equipamentos que operam com grande variação de carga (acima de 25%)

• Grande variação na pressão de vapor vivo ou de escape (acima de 15%)

• Grande variação de velocidade de operação (acima 15%)

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Funcionamento das multiválvulas

• Dividem-se os bocais de admissão em 2 ou mais grupos

• Cada válvula de regulagem controla o vapor de alimentação de cada grupo

• O regulador de velocidade aciona as válvulas em seqüência:– A 2ª válvula só começa a abrir após a abertura

da 1ª e assim por diante

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Porque as multiválvulas podem economizar vapor ?

• Porque minimizam as perdas por estrangulamento, maximizando a eficiência em regimes variáveis de operação

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2,5

Salto útil ∆u

Salto total ∆t

Salto real ∆r

Eficiência = ∆u/∆t

Entropia

Enta

lpia

170 C

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Eficiência Térmica

• Cai com a redução da rotação nominal• Cai em regime de carga parcial

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Capacidade (Potência)

• Cai com a redução da rotação• Cai com a diminuição da pressão e/ou

temperatura do vapor vivo• Cai com o aumento da pressão de escape

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Analogias Operacionais

• Quando a pressão na câmara de bocais estiver próxima a do vapor vivo a turbina atingiu sua máxima capacidade de potência

• Quanto menor a eficiência da turbina maior a temperatura do vapor de escape (só para vapor superaquecido)

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Instalação e Manutenção

• Esforços tubulação de vapor• Dilatação da carcaça• Conservação de entre-safra

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Sistema de “ar quente”

VentiladorAquecedor Turbina

90

Dilatação da Carcaça

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Geração de vapor

Centro de Tecnologia CanavieiraFrancisco A. B. Linero

2005

Noções de grandezas físicas e unidadesn MassaÉ a quantidade de matéria que constitui um

corpoExemplo: 1 kg de açúcarn Unidades de massaNo Sistema Internacional: 1 kg Outras unidades: grama – g 1 kg = 1.000 g

tonelada – t 1 t = 1.000 kglibra – lb 1 kg = 2,20 lb

ForçaÉ a causa, qualquer que seja, que pode

modificar o estado de repouso ou de movimento de um corpo.

Unidades de força:1 N Newton1 kgf quilograma-força 1 kgf = 9,81 N1 lbf libra-força 1 kgf = 2,20 lbf

ForçaA força se exprime pelo produto da massa

pela aceleraçãoF = m x a1 N = 1 kg x 1 m/s²

PesoÉ a força de atração que a terra exerce

sobre um corpoP = m x gP = 1 kg x 9,81 m/s² = 9,81 NO quilograma-força é definido como

sendo o peso do quilograma-massa:1 kgf = 1 kg x 9,81 m/s²

PesoO peso depende da aceleração local da

gravidade. Por exemplo, a aceleração da gravidade na lua

é 1/6 da aceleração da gravidade da terra.Portanto, uma pessoa que com massa de 70 kg

pesa:n Na terra P = 70 kg x 9,81 m/s² = 686 N

= 70 kgfn Na lua P = 70 kg x 1,64 m/s² = 114 N

= 11,7 kgf

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PressãoÉ o esforço determinado de uma dada

força sobre uma superfície:Pressão = Força / área

= 1 N/m² = 1 Pa (Pascal)

Unidades de pressão1 kPa = 1.000 Pa (Pascal)1 bar = 100 kPa

= 1,02 kgf/cm²1 kgf/cm² = 0,98 bar

= 14,2 psi (libra/pol²)

Unidades de pressãoExemplo: uma caldeira operando com

pressão de 20 kgf/cm²:P = 20 kgf/cm²

= 20 x 14,2 psi = 284 psi= 20 x 0,98 bar = 19,6 bar= 20 x 98 kPa = 1960 kPa

Pressão atmosféricaÉ a força exercida sobre a superfície de

um corpo devido ao peso do ar atmosférico.

1 atmosfera = 760 mmHg (0ºC)= 101 kPa= 1,01 bar= 1,03 kgf/cm²= 14,7 psi

Barômetro de mercúrioOs barômetros são instrumentos destinados a medir a pressão atmosférica. O barômetro éconstituído por um tubo de vidro, envolvido por um tubo metálico que serve de proteção, de cerca de um metro e fechado numa das extremidades, que se enche de mercúrio e se inverte numa tina de vidro, contendo também mercúrio. Encontra-se acoplado ao corpo do barômetro um termômetro que dá a temperatura a que se encontra o mercúrio.

Pressão interna de um vasoUm fluido (líquido ou vapor) dentro de

um recipiente exerce uma pressão sobre as paredes do recipiente e em direção perpendicular à superfície da parede (Princípio de Pascal).

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Pressão interna de um vasoA pressão dentro de um recipiente é

medida por um instrumento chamado manômetro.

Pressão manométricaO manômetro lê pressão acima da

atmosfera.Na atmosfera, o manômetro indica zero.

Pressão absolutaÉ a soma da pressão atmosférica e a pressão

manométrica.

Exemplo:Pressão atmosf = 1,03 kgf/cm² = 1,01 barPressão caldeira = 20 kgf/cm² = 19,6 barPressão abs = 1,03 + 20 = 21,0 kgf/cm² abs

= 1,01 + 19,6 = 20,6 bar abs

TemperaturaÉ uma medição de intensidade da sensação

quente ou frio de um corpo.Unidades: grau Celsius ºC

grau FahrenheirºF

Pontos de referência: Ponto de fusão do gelo = 0 ºC = 32 ºFPonto de vaporização da água à pressão

atmosférica = 100 ºC = 212 ºF

TemperaturaA temperatura mais baixa teoricamente

possível = - 273,15 ºCQue corresponde ao zero absoluto = 0 K

(zero Kelvin)Termômetro: tipo PT100 digital

CalorÉ a energia que passa de um corpo a

uma temperatura para outro corpo a uma temperatura mais baixa.

Exemplo: energia que passa dos gases quentes para água numa caldeira

Unidades: kJ kcal1 kcal = 4,186 kJ

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Formas transmissão calorA literatura geralmente reconhece três meios

distintos de transmissão de calor: condução, radiação e convecção.

n ConduçãoA condução é um processo pelo qual o calor flui

de uma região de alta temperatura para outra de temperatura mais baixa, dentro de um meio sólido, líquido ou gasoso ou entre meios diferentes em contato físico direto.

Formas transmissão calorn RadiaçãoA radiação é um processo pelo qual o

calor flui de um corpo de alta temperatura para um de baixa, quando os mesmos estão separados no espaço, ainda que exista um vácuo entre eles.

Formas transmissão calorn ConvecçãoA convecção é um processo de transporte de

energia pela ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento da mistura. A convecção é mais importante como mecanismo de transferência de energia ( calor ) entre uma superfície sólida e um líquido ou gás.

Poder calorífico combustívelÉ o valor da energia térmica liberada pelo

combustível quando entra em contato com o ar atmosférico (combustão)

PCs – Poder calorífico superior: água na saída dos gases na forma de líquido

PCi – Poder calorífico inferior: água na saída dos gases na forma de vapor

Poder calorífico combustívelBagaço de cana (50% umidade):PCs = 2.280 kcal/kg = 9.540 kJ/kgPCi = 1.800 kcal/kg = 7.530 kJ/kg

Óleo combustível BPF:PCs = 10.240 kcal/kg = 42.860 kJ/kgPCi = 9.680 kcal/kg = 40.520 kJ/kg

Energia contida nos gasesA energia contida nos gases de combustão

depende praticamente de sua temperatura e do calor específico.

Para gases de combustão de bagaço de cana:c = 0,3 kcal/kg.ºC = 1,3 kJ/kg.ºCT = 200 ºCE = c. T = 0,3 * 200 = 60 kcal/kg

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Energia contida na águaO vapor d´água no tubulão da caldeira está em

equilíbrio com a fase líquida. Nesse caso, recebe o nome de vapor saturado.

A energia que ele contém é tirada das Tabelas de Vapor, em função da sua pressão, com o nome de entalpia.

Para uma caldeira operando com pressão de 42 kgf/cm² man = 41,2 bar, a entalpia do vapor vale hv = 669 kcal/kg = 2.800 kJ/kg

Energia contida na águaQuando o vapor saturado sai do tubulão da

caldeira, ele passa por um conjunto de tubos que recebe o nome de superaquecedor. Nesse equipamento, o vapor aumenta a sua temperatura e passa a ser chamado de vapor superaquecido.

Para uma caldeira operando com pressão de 42 kgf/cm² (41,2 bar) e temperatura 400 ºC, sua entalpia vale hv = 767 kcal/kg = 3.212 kJ/kg

Energia contida na águaA entalpia da água líquida que entra na

caldeira é obtida da Tabela da Água em função de sua temperatura.

Para 105 ºC vale hl = 105,1 kcal/kg = 440 kJ/kg

Consumo combustível caldeiraPode-se então calcular o consumo de

combustível em um caldeira.Por exemplo, uma caldeira que produz 120.000

kg/h de vapor, a 42 kgf/cm² (41,2 bar) e temperatura 400 ºC, com a água entrando a 105 ºC, queimando bagaço de cana com umidade 50%, e com eficiência de 85%, o consumo de combustível (bagaço) é calculado por:

Consumo combustível caldeiraMbag = Mvapor * (hvap – hliq)/(efic * PCi)

Mbag = 120.000*(767-105)/(0,85*1.800)

Mbag = 51.920 kg/h bagaço

Potência turbinaPode-se calcular também a potência de uma

turbina.Por exemplo, uma turbina a vapor que recebe

120.000 kg/h de vapor, a 42 kgf/cm² man(41,2 bar) e temperatura 400 ºC, descarregando vapor a 1,5 kgf/cm² man(1,47 bar), e com eficiência de 75%, a potência produzida pela turbina é calculada por:

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Potência turbinaPot turb = mvap * (h1 – h2) * efic turbA entalpia de entrada e saída da turbina pode

ser obtida pelo Diagrama de Mollier, ou da Tabela de Vapor, considerando a entropia na saída igual a entropia na entrada:

Potência turbina:= 120.000 kg/h*(3212 -2510)kJ/kg*0,75/3600= 120.000kg/h*(767-600)kcal/kg*0,75/860= 17.500 kW = 17,5 MW