MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 13 – TURBINAS A VAPOR

Usinas Termoelétricas◦ As turbinas a vapor são máquinas que utilizam a

elevada energia cinética da massa de vaporexpandido em trabalho de eixo e com isso pode-se gerar energia elétrica através da utilização deum gerador elétrico.

◦ Existem termoelétricas espalhada por todo osplaneta com vários potenciais de geração, masutilizando basicamente o ciclo Brayton, Rakineou uma combinação dos dois.

◦ As turbinas a vapor são utilizadas apenas nosciclos Rakine.

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Usinas Termoelétricas◦ Usinas termelétricas produzem energia a partir

da queima de carvão, óleo combustível e gásnatural em uma caldeira, ou pela fissão dematerial radioativo (como o urânio). O calorgerado a partir destes elementos transforma emvapor a água presente em tubos localizados nasparedes da caldeira.

◦ Assim como na energia hidrelétrica, em que umgerador, impulsionado pela água, gira,transformando a energia potencial em energiaelétrica, nas termelétricas a fonte de caloraquece uma caldeira com água gerando vapord'água em alta pressão, e o vapor move as pásda turbina a vapor.

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Planta de Geração de Energia

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◦ Sistemas:◦ A – Ciclo de geração de potência

de eixo (Ciclo Rankine);

◦ B – Sistema de produção de calor;

◦ C – Sistemas de resfriamento para o condensador;

◦ D – Sistema de geração de energia elétrica.

Planta de Geração de Energia

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Planta de Geração de Energia

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Ciclo Rankine◦ O ciclo Rankine possui basicamente

quatro componentes:◦ Gerador de vapor: Equipamento capaz de

gerar vapor através de algum processotérmico. Pode ser: caldeira, reator nuclear,turbina a gás, coletor solar, entre outros;

◦ Turbina a vapor: equipamento que recebe ovapor gerado e o transforma em trabalho deeixo;

◦ Condensador: responsável por condensar ovapor que saí da turbina, transformando-oem líquido para bombeamento;

◦ Bomba: Bombeia o líquido gerado nocondensador de volta para o gerador devapor.

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Turbinas a vapor◦ As turbinas a vapor utilizam a

elevada energia cinética da massade vapor expandido, fazendo comque forças consideráveis, devidas àvariação de velocidade, atuem sobrepalhetas fixadas a um rotor.

◦ As forças aplicadas às palhetas,determinam um momento motorresultante, que faz girar o rotor.

◦ https://www.youtube.com/watch?v=wQnxvXdbC1I

◦ https://www.youtube.com/watch?v=SWVuQCQ5xoA

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Turbinas a vapor◦ As turbinas a vapor podem ser

classificadas em:◦ Turbinas de impulsão ou de ação: quando

o vapor se expande somente nos órgãosfixos (pás diretrizes e bocais) e não nosórgãos móveis (pás do rotor). Portanto, apressão é a mesma sobre os dois lados dorotor.

◦ Turbinas de reação: quando o vapor seexpande também no rotor, ou seja,quando a pressão de vapor na entrada dorotor é maior que na saída do mesmo.

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Turbinas a vapor◦ Turbina de Laval:◦ Turbinas de ação com somente um

estágio de pressão e velocidade. Todoo "salto térmico" ocorre nesteestágio, sendo a transformação deentalpia em energia cinética feita nosbocais e a transformação de energiaem trabalho feita nas palhetas.

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Turbinas a vapor◦ Turbina de Curtis:◦ Turbinas de ação com somente um estágio de

pressão e vários estágios de velocidade. O vaporse expande por completo no bocal de entrada,transformando a entalpia em energia cinética.

◦ A transformação da energia cinética em trabalhoocorre em vários estágios de velocidade,separados por palhetas fixas que apenas mudama direção do escoamento, mantendo a velocidadee pressão constantes.

◦ Como, por todos os estágios, deve passar amesma quantidade de vapor e a velocidade vaidiminuindo, é necessário que, nas seções poronde passa, o diâmetro dos rotores sucessivosaumente.

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Turbinas a vapor◦ Turbina de Curtis:◦ O principal inconveniente dos estágios de

velocidade é que, devido as altas velocidades dovapor, aumentam consideravelmente as perdaspor atrito, sobretudo se existirem muitosestágios. Esta é a causa para que na prática, seadote um pequeno número de estágios.

◦ Em resumo, os estágios de velocidade sãoparticularmente vantajosos para as turbinas debaixa e média potência (até 4000 HP) quenecessitam de reduzido número de estágios.

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Turbinas a vapor◦ Turbina Rateau:◦ Turbina de reação com um estágio de velocidade

e vários de pressão. Conhecida também comoturbina de Prazos. A queda total de pressão entrea entrada e a saída é subdividida em um certonúmero de quedas parciais, uma para cadaestágio.

◦ Como o volume específico do vapor aumenta deum estágio ao outro, as seções por onde o vaporpassa devem ir aumentando sucessivamente.

◦ Como as diferenças de pressão utilizadas nosdiferentes estágios são reduzidas, as velocidadesadquiridas pelo vapor também são pequenas, deforma que as perdas por atrito serão pequenas,permitindo assim um maior número de estágios.

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Turbinas a vapor◦ Turbina Curtis - Rateau:◦ O desenvolvimento desta turbina partiu do

princípio de se conseguir velocidades de pásideais (portanto maiores rendimentos)utilizando-se um uma combinação de estágiosCurtis (escalonamento de Velocidade) e estágiosRateau (escalonamento de Pressão).

◦ Como mostrado na figura ao lado, a pressão nãocai nos estágios fixos ou nos móveis, e sim nosexpansores (escalonadores de pressão) e avelocidade cai conforme uma turbina Curtis entreos expansores.

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Turbinas a vapor◦ Turbina Parsons:◦ Este tipo de turbinas é constituído de múltiplos

estágios de reação, que resulta em quedas parciaisde pressão através de sucessivas fileiras de palhetasfixas e moveis.

◦ Com isto a queda de pressão em cada fileira depalhetas é pequena resultando em baixasvelocidades do vapor em cada estágio.

◦ À medida que o vapor se expande, o seu volumeespecífico aumenta, motivo pelo qual as fileirassucessivas de palhetas tem suas dimensionesaumentadas de forma progressiva.

◦ Nos estágios de alta pressão ocorre fuga de vaporatravés das folgas entre as palhetas moveis e acarcaça, resultando em perda de eficiência,portanto evita-se usar turbinas de reação emturbinas de alta pressão.

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Turbinas a vapor◦ Turbina Parsons:◦ Neste tipo usam-se os estágios de ação e reação

de forma escalonada. Primeiro usa-se um estágioCurtis (por exemplo duas quedas de velocidade)para reduzir a pressão e temperatura do vapor elogo em seguida usa-se os estágios de reação.

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Turbinas a vapor◦ Catálogo Turbina Siemens:◦ A figura ao lado apresenta um

painel para escolha de turbinasa vapor da Siemens. As áreasem branco representam aabrangência de potência que oequipamento pode fornecer.

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