mÁquinas tÉrmicas aatt-101101 · 1 mÁquinas tÉrmicas aatt-101101 universidade federal do...

1

MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--101101

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade

[email protected]@ufpr.br

TURBINAS A VAPOR TURBINAS A VAPOR

2

TURBINAS A VAPORTURBINAS A VAPOR

HISTÓRICO:

� O primeiro motor movido a vapor que se tem registrona história era considerado um mero brinquedo, aeolípila foi inventada no primeiro século por Heron deAlexandria.

Eolípila


HISTÓRICO:

� Outros dispositivos só foram inventados muito tempodepois, um destes foi criado pelo italiano GiovanniBranca no ano de 1629.

3


HISTÓRICO:

� A turbina a vapor moderna foi inventada por AngloIrishman em 1884, porém foi Charles A. Parsons queacoplou a turbina em dínamo visando a geração deenergia elétrica.

� Porém os grandes saltos de tecnologia só ocorreramapós a revolução industrial e as guerras mundiais.


DEFINIÇÃO:

� A turbina a vapor (TV) é definida como sendo umamáquina térmica, onde a energia potencialtermodinâmica contida no vapor é convertida emtrabalho mecânico.

Turbina a Vapor

4


DEFINIÇÃO:

� Desta forma, as turbinas a vapor são máquinas decombustão externa (os gases resultantes da queimado combustível não entram em contato com o fluído detrabalho que escoa no interior da máquina e realiza osprocessos de conversão da energia do combustívelem potência de eixo). Devido a isto apresentam umaflexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado,podendo usar inclusive aqueles que produzemresíduos sólidos (cinzas) durante a queima.


FUNCIONAMENTO:

� A passagem do vapor gera forças, que aplicadas àspás, determinam um momento motor resultante, quefaz girar o rotor.

Vapor

Rotor

Passagem do Vapor pela Turbina

5


FUNCIONAMENTO:

Turbina a Vapor

VaporEntrada

VaporSaída

Variação de entalpiaVariação de energia cinética

Variação de energia potencial

Trabalho


UTILIZAÇÃO:

� São usadas industrialmente principalmente para oacionamento de geradores elétricos, propulsão,compressores, turbobombas, sopradores entre outrasaplicações.

Gerador~Turbina Turbina

TV + gerador elétrico TV + sistema de propulsão

6


PARTES COMPONENTES:

� As principais partes componentes da turbina a vaporsão:

� Carcaça (Com ou sem estatores),� Mancais,� Rotor,� Palhetas.


PARTES COMPONENTES:

� Esquematicamente:

Mancais

Rotor

Carcaça

Palhetas

Estatores

7


PARTES COMPONENTES:


Mancais

Rotor

Carcaça inferior

Palhetas


PARTES COMPONENTES:


Carcaças

8


CLASSIFICAÇÃO:

� A classificação das turbinas a vapor é normalmentefeita segundo:� Modo de atuação do vapor,� Número de estágios,� Seqüência de fluxo,� Pressão do vapor utilizado,� Condições de emprego,� Velocidade de rotação,� Movimento do rotor.


CLASSIFICAÇÃO:

� Modo de atuação do vapor:� Ação,� Reação,� Ação e Reação.

9


CLASSIFICAÇÃO:

� Modo de atuação do vapor:


CLASSIFICAÇÃO:


AçãoExemplo clássico, turbina de Laval, Curtis e Rateau

10


CLASSIFICAÇÃO:


ReaçãoExemplo clássico, turbina de Parsons


CLASSIFICAÇÃO:


Ação e Reação

Reação Ação

11


CLASSIFICAÇÃO:

� Número de estágios:

Simples Duplo Múltiplo


CLASSIFICAÇÃO:

� Seqüência de fluxo:

Vários exemplo de turbinas: Simples, Dupla,Composta, Tandem e combinações.

12


CLASSIFICAÇÃO:

� Pressão do vapor utilizado:

Baixa PressãoAlta Pressão


CLASSIFICAÇÃO:

� Condições de emprego:

Vários exemplo de turbinas: Condensação, Extração,ReaquecimentoContrapressão e suas combinações.

13


CLASSIFICAÇÃO:

� Velocidade de rotação:

Baixa Velocidade Alta Velocidade

Unidades de acoplamentodireto e exigências especiais

Para geradores60Hz, 50Hz, 25Hz


CLASSIFICAÇÃO:

� Movimento do rotor:

Movimento Simples Movimento Duplo

14


PROJETO DE CONSTRUÇÃO:

� Características do projeto da turbina de vapor:Geralmente feito sob encomenda, desta forma asturbinas de vapor podem ser projetadas afim decombinar exigências da pressão e da temperatura doprojeto e maximizar a eficiência elétrica ao fornecer asaída térmica desejada.



� Matérias empregados e formas.

Diferentes formas de paletas

15



� A forma das paletas devem ser dimensionadasadequadamente visando o máximo aproveitamento.

Estator

Rotor

Curtis Parsons


FALHAS NO EQUIPAMENTO:

� As falhas geralmente podem ser associadas:

16


FALHAS NO EQUIPAMENTO:

Paleta fragmentada Corrosão


CICLO TERMODINÂMICO:

� O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas avapor comumente encontrados em estações deprodução de energia. Em tais estações, o trabalho égerado ao se vaporizar e condensar-sealternadamente um fluido de trabalho (normalmenteágua, mas pode incluir outros líquidos, como amônia).

17



� O fluído de trabalho num ciclo Rankine ideal segue umciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vaporque se observa em estações de energia vêm dosistema de resfriamento do condensador, e não dofluído de trabalho.



� Ciclo sem superaquecedor:

T

S

a

b

c d

eEconomizador

a

b

c

d

e

Ponto crítico VaporSuperaquecido

18



� Ciclo com superaquecedor:

T

S

a

b

c d

e

fEconomizador

Superaquecedor

a

b

c

d e

f

Ponto crítico VaporSuperaquecido



� Ciclo com reaquecimento:

T

S

a

b

c d

e

f

g

h

a

b

c

d e

f g

h

Ponto crítico

19



� Ciclo Regenerativo: é nomeado desta forma devido aofato do fluído ser reaquecido após sair docondensador, aproveitando parte do calor contido nofluído liberado pela turbina de alta pressão. Istoaumenta a temperatura média do fluído em circulação,o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo.


EQUAÇÕES:

� As equações podem ser obtidas facilmente à partir dobalanço de massa e energia analisando umdeterminado volume de controle. Devemos utilizar todoconhecimento adquirido na Disciplina deTermodinâmica para esta análise. A equação quedefine a eficiência termodinâmica do ciclo consiste narazão entre o trabalho líquido do sistema e o calorfornecido ao sistema.

20


APLICAÇÃO PARA VOLUME DE CONTROLE

••••

+

+++=

+++

+−=

+−=

∑∑ vcss

ss

vce

eeevc WgZ

Vhm

dt

dEgZ

VhmQ

t

W

t

E

t

E

t

Q

WEEQ

22

22

12

211221

δ

δ

δδδ

δPartindo da equação para sistema

Considerando uma série temporal

Analisando a variação de energia temporal e utilizando a definição de entalpia

Primeira Lei da Termodinâmica para volume de controle


EQUAÇÕES:

Quantificação da transferência de calor (Q):� Calor adicionado (Qin)=(caldeira)� Calor rejeitado (Qout)=(condensador)Quantificação do trabalho (W):� Trabalho realizado (Win)=bomba� Trabalho produzido (Wout)=turbina

Quantificação da eficiência térmica (η):

21


EQUAÇÕES:

� Calor e Trabalho calculados pela Variação da entalpiado fluido de trabalho.

Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema (J/Kg)W Trabalho realizado ou produzido pelo sistema (J/Kg)Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema (W, J/s)W Trabalho realizado ou produzido pelo sistema (W, J/s)h Entalpia do fluido utilizado (J/Kg, KJ/Kg)η Eficiência (%)

.

.


EQUAÇÕES:

� Ciclo sem superaquecedor:

W(bomba)=h1-h2Q(caldeira)=h3-h2W(turbina)=h3-h4Q(condensador)=h1-h4

η= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100

22



� Ciclo com superaquecedor:

W(bomba)=h1-h2Q(caldeira)=h3-h2W(turbina)=h3-h4Q(condensador)=h1-h4




� Ciclo com reaquecimento:

W(bomba)=h1-h2Q(caldeira+reaquecedor)=(h3-h2)+(h5-h4)W(turbina)=(h3-h4)+(h5-h6)Q(condensador)=h1-h6


23


CICLO RANKINE REAL (NÃO-IDEAL):

� Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba ea expansão na turbina não são isoentrópicos. Emoutras palavras, estes processos não são reversíveis,assim a entropia aumenta durante os processos. Istofaz com que a energia requerida pela bomba sejamaior, e que o trabalho produzido pela turbina sejamenor do que o produzido num estado de idealidade.


EXERCÍCIO 1:

� Considere o ciclo ideal, descrevendo um processoindustrial, onde uma caldeira gera 1000kg/h de vaporsaturado a 170ºC (h=1871,6 KJ/kg). Este vapor éinjetado em uma turbina de condensação de baixapressão para geração de energia elétrica porintermédio de um dínamo. Após a passagem pelaturbina o vapor apresenta h=1564,6 kcal/kg. Estevapor então passa por um condensador (h=100,6KJ/kg) e em seguida o fluido condensado é bombeadoà caldeira (h=104,7 KJ/kg).

24


EXERCÍCIO 1:


EXERCÍCIO 1:

� Calcule:� Calor adicionado pela caldeira.� Calor rejeitado pelo condensador.� Trabalho efetuado pela turbina.� Trabalho fornecido pela bomba.� Eficiência térmica do processo.

25


EXERCÍCIO 1:

� Calor adicionado pela caldeira.Qa=h3-h2� Calor rejeitado pelo condensador.Qr=h1-h4


EXERCÍCIO 1:

� Trabalho efetuado pela turbina.Wt=h3-h4� Trabalho fornecido pela bomba.Wb=h1-h2

26


EXERCÍCIO 1:

� Eficiência térmica do processo.η= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100


EXERCÍCIO 2:

� Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial,onde uma caldeira gera vapor superaquecido para geração deenergia elétrica por intermédio de um gerador.

Calcular:Trabalho efetuado pela turbina em KJ/kg.Potencia da turbina em KW.Eficiência térmica do processo em %.

m=1500 kg/h

h1= 160,1 KJ/kgh2= 168,3 KJ/kgh3=1819,1 KJ/kgh4=1255,6 KJ/kg

27


EXERCÍCIO 3:

� Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial,onde uma caldeira gera vapor superaquecido para geração deenergia elétrica por intermédio de um gerador.

m=2500 kg/hh1= 60,1 KJ/kgh2= 68,3 KJ/kgh3=619,1 KJ/kg h4=345,1 KJ/kgh5=555,3 KJ/kgh6=355,6 KJ/kg

Calcular:Trabalho efetuado pelas turbinas em KJ/kg.Potencia da turbina KW.Eficiência térmica do processo em %.

mÁquinas tÉrmicas aatt-101101 · 1 mÁquinas tÉrmicas aatt-101101 universidade federal do...

Documents