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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-056 M.Sc. Alan Sulato de Andrade 1

2 HISTÓRICO: O primeiro motor movido a vapor que se tem registro na história era considerado um mero brinquedo, a eolípila foi inventada no primeiro século por Heron de Alexandria. Eolípila HISTÓRICO: Outros dispositivos só foram inventados muito tempo depois, um destes foi criado pelo italiano Giovanni Branca no ano de

3 HISTÓRICO: A turbina a vapor moderna foi inventada por Anglo Irishman em 1884, porém foi Charles A. Parsons que acoplou a turbina em dínamo visando a geração de energia elétrica. Porém os grandes saltos de tecnologia só ocorreram após a revolução industrial e as guerras mundiais. DEFINIÇÃO: A turbina a vapor (TV) é definida como sendo uma máquina térmica, onde a energia potencial termodinâmica contida no vapor é convertida em trabalho mecânico. Turbina a Vapor 3

4 DEFINIÇÃO: Desta forma, as turbinas a vapor são máquinas de combustão externa (os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo). Devido a isto apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima. FUNCIONAMENTO: A passagem do vapor gera forças, que aplicadas às pás, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor. Vapor Rotor Passagem do Vapor pela Turbina 4

5 FUNCIONAMENTO: Vapor Entrada Turbina a Vapor Trabalho Variação de entalpia Variação de energia cinética Variação de energia potencial Vapor Saída UTILIZAÇÃO: São usadas industrialmente principalmente para o acionamento de geradores elétricos, propulsão, compressores, turbobombas, sopradores entre outras aplicações. Turbina Gerador ~ Turbina TV + gerador elétrico TV + sistema de propulsão 5

6 PARTES COMPONENTES: As principais partes componentes da turbina a vapor são: Carcaça (Com ou sem estatores), Mancais, Rotor, Palhetas. PARTES COMPONENTES: Esquematicamente: Carcaça Estatores Rotor Mancais Palhetas 6

7 PARTES COMPONENTES: Esquematicamente: Palhetas Rotor Carcaça inferior Mancais PARTES COMPONENTES: Esquematicamente: Carcaças 7

8 CLASSIFICAÇÃO: A classificação das turbinas a vapor é normalmente feita 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. 8

9 CLASSIFICAÇÃO: Modo de atuação do vapor: CLASSIFICAÇÃO: Modo de atuação do vapor: Ação Exemplo clássico, turbina de Laval, Curtis e Rateau 9

10 CLASSIFICAÇÃO: Modo de atuação do vapor: Reação Exemplo clássico, turbina de Parsons CLASSIFICAÇÃO: Modo de atuação do vapor: Reação Ação Ação e Reação 10

11 CLASSIFICAÇÃO: Número de estágios: Simples Duplo Múltiplo CLASSIFICAÇÃO: Seqüência de fluxo: Vários exemplo de turbinas: Simples, Dupla, Composta, Tandem e combinações. 11

12 CLASSIFICAÇÃO: Pressão do vapor utilizado: Alta Pressão Baixa Pressão CLASSIFICAÇÃO: Condições de emprego: Vários exemplo de turbinas: Condensação, Extração,Reaquecimento Contrapressão e suas combinações. 12

13 CLASSIFICAÇÃO: Velocidade de rotação: Baixa Velocidade Alta Velocidade Unidades de acoplamento direto e exigências especiais Para geradores 60Hz, 50Hz, 25Hz CLASSIFICAÇÃO: Movimento do rotor: Movimento Simples Movimento Duplo 13

14 PROJETO DE CONSTRUÇÃO: Características do projeto da turbina de vapor: Geralmente feito sob encomenda, desta forma as turbinas de vapor podem ser projetadas afim de combinar exigências da pressão e da temperatura do projeto e maximizar a eficiência elétrica ao fornecer a saída térmica desejada. PROJETO DE CONSTRUÇÃO: Matérias empregados e formas. Diferentes formas de paletas 14

15 PROJETO DE CONSTRUÇÃO: A forma das paletas devem ser dimensionadas adequadamente visando o máximo aproveitamento. Estator Rotor Curtis Parsons FALHAS NO EQUIPAMENTO: As falhas geralmente podem ser associadas: 15

16 FALHAS NO EQUIPAMENTO: Paleta fragmentada Corrosão CICLO TERMODINÂMICO: O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Em tais estações, o trabalho é gerado ao se vaporizar e condensar-se alternadamente um fluido de trabalho (normalmente água, mas pode incluir outros líquidos, como amônia). 16

17 CICLO TERMODINÂMICO: O fluído de trabalho num ciclo Rankine ideal segue um ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se observa em estações de energia vêm do sistema de resfriamento do condensador, e não do fluído de trabalho. CICLO TERMODINÂMICO: Ciclo sem superaquecedor: d Ponto crítico c d Vapor Superaquecido c b Economizador e T b a e a S 17

18 CICLO TERMODINÂMICO: Ciclo com superaquecedor: d e Superaquecedor T b c Ponto crítico d e Vapor Superaquecido c b Economizador f a f a S CICLO TERMODINÂMICO: Ciclo com reaquecimento: d e e Ponto crítico c d g c b f g h T b a f h a S 18

19 CICLO TERMODINÂMICO: Ciclo Regenerativo: é nomeado desta forma devido ao fato do fluído ser reaquecido após sair do condensador, aproveitando parte do calor contido no fluído liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do fluído em circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo. EQUAÇÕES: As equações podem ser obtidas facilmente à partir do balanço de massa e energia analisando um determinado volume de controle. Devemos utilizar todo conhecimento adquirido na Disciplina de Termodinâmica para esta análise. A equação que define a eficiência termodinâmica do ciclo consiste na razão entre o trabalho líquido do sistema e o calor fornecido ao sistema. 19

20 APLICAÇÃO PARA VOLUME DE CONTROLE 1 Q = E 2 2 E + W δq E2 E1 δw = + δt δt δt δt Partindo da equação para sistema Considerando uma série temporal Analisando a variação de energia temporal e utilizando a definição de entalpia vc+ Q V e m he + e gz e de = dt vc + V s m hs + s gz Primeira Lei da Termodinâmica para volume de controle s + Wvc 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): 20

21 EQUAÇÕES: Calor e Trabalho calculados pela Variação da entalpia do fluido de trabalho. 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-h2 Q(caldeira)=h3-h2 W(turbina)=h3-h4 Q(condensador)=h1-h4 η= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} *

22 CICLO TERMODINÂMICO: Ciclo com superaquecedor: W(bomba)=h1-h2 Q(caldeira)=h3-h2 W(turbina)=h3-h4 Q(condensador)=h1-h4 η= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100 CICLO TERMODINÂMICO: Ciclo com reaquecimento: W(bomba)=h1-h2 Q(caldeira+reaquecedor)=(h3-h2)+(h5-h4) W(turbina)=(h3-h4)+(h5-h6) Q(condensador)=h1-h6 η= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} *

23 CICLO RANKINE REAL (NÃO-IDEAL): Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos não são reversíveis, assim a entropia aumenta durante os processos. Isto faz com que a energia requerida pela bomba seja maior, e que o trabalho produzido pela turbina seja menor do que o produzido num estado de idealidade. EXERCÍCIO 1: Considere o ciclo ideal, descrevendo um processo industrial, onde uma caldeira gera 1000kg/h de vapor saturado a 170ºC (h=1871,6 KJ/kg). Este vapor é injetado em uma turbina de condensação de baixa pressão para geração de energia elétrica por intermédio de um dínamo. Após a passagem pela turbina o vapor apresenta h=1564,6 kcal/kg. Este vapor então passa por um condensador (h=100,6 KJ/kg) e em seguida o fluido condensado é bombeado à caldeira (h=104,7 KJ/kg). 23

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. 24

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 25

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 de energia elétrica por intermédio de um gerador kg/h h1= 160,1 KJ/kg h2= 168,3 KJ/kg h3=1819,1 KJ/kg h4=1255,6 KJ/kg Calcular: Trabalho efetuado pela turbina em KJ/kg. Potencia da turbina em KW. Eficiência térmica do processo em %. 26

27 EXERCÍCIO 3: Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial, onde uma caldeira gera vapor superaquecido para geração de energia elétrica por intermédio de um gerador kg/h Calcular: Trabalho efetuado pelas turbinas em KJ/kg. Potencia da turbina KW. Eficiência térmica do processo em %. h1= 60,1 KJ/kg h2= 68,3 KJ/kg h3=619,1 KJ/kg h4=345,1 KJ/kg h5=555,3 KJ/kg h6=355,6 KJ/kg 27

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