MÁQUINAS HIDRÁULICAS AULA 15 TURBINAS A VAPOR PROF.: KAIO DUTRA

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1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS AULA 15 TURBINAS A VAPOR PROF.: KAIO DUTRA

2 Usinas Termoelétricas As turbinas a vapor são máquinas que utilizam a elevada energia cinética da massa de vapor expandido em trabalho de eixo e com isso podese gerar energia elétrica através da utilização de um gerador elétrico. Existem termoelétricas espalhada por todo os planeta com vários potenciais de geração, mas utilizando basicamente o ciclo Brayton, Rakine ou uma combinação dos dois. As turbinas a vapor são utilizadas apenas nos ciclos Rakine.

3 Usinas Termoelétricas Usinas termelétricas produzem energia a partir da queima de carvão, óleo combustível e gás natural em uma caldeira, ou pela fissão de material radioativo (como o urânio). O calor gerado a partir destes elementos transforma em vapor a água presente em tubos localizados nas paredes da caldeira. Assim como na energia hidrelétrica, em que um gerador, impulsionado pela água, gira, transformando a energia potencial em energia elétrica, nas termelétricas a fonte de calor aquece uma caldeira com água gerando vapor d'água em alta pressão, e o vapor move as pás da turbina a vapor.

4 Planta de Geração de Energia 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.

5 Planta de Geração de Energia

6 Planta de Geração de Energia

7 Ciclo Rankine O ciclo Rankine possui basicamente quatro componentes: Gerador de vapor: Equipamento capaz de gerar vapor através de algum processo térmico. Pode ser: caldeira, reator nuclear, turbina a gás, coletor solar, entre outros; Turbina a vapor: equipamento que recebe o vapor gerado e o transforma em trabalho de eixo; Condensador: responsável por condensar o vapor que saí da turbina, transformando-o em líquido para bombeamento; Bomba: Bombeia o líquido gerado no condensador de volta para o gerador de vapor.

8 As turbinas a vapor podem ser classificadas em: Turbinas de impulsão ou de ação: quando o vapor se expande somente nos órgãos fixos (pás diretrizes e bocais) e não nos órgãos móveis (pás do rotor). Portanto, a pressão é a mesma sobre os dois lados do rotor. Turbinas de reação: quando o vapor se expande também no rotor, ou seja, quando a pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo.

9 Turbina de Laval: Turbinas de ação com somente um estágio de pressão e velocidade. Todo o "salto térmico" ocorre neste estágio, sendo a transformação de entalpia em energia cinética feita nos bocais e a transformação de energia em trabalho feita nas palhetas.

10 Turbina de Curtis: Turbinas de ação com somente um estágio de pressão e vários estágios de velocidade. O vapor se expande por completo no bocal de entrada, transformando a entalpia em energia cinética. A transformação da energia cinética em trabalho ocorre em vários estágios de velocidade, separados por palhetas fixas que apenas mudam a direção do escoamento, mantendo a velocidade e pressão constantes. Como, por todos os estágios, deve passar a mesma quantidade de vapor e a velocidade vai diminuindo, é necessário que, nas seções por onde passa, o diâmetro dos rotores sucessivos aumente.

11 Turbina de Curtis: O principal inconveniente dos estágios de velocidade é que, devido as altas velocidades do vapor, aumentam consideravelmente as perdas por atrito, sobretudo se existirem muitos estágios. Esta é a causa para que na prática, se adote um pequeno número de estágios. Em resumo, os estágios de velocidade são particularmente vantajosos para as turbinas de baixa e média potência (até 4000 HP) que necessitam de reduzido número de estágios.

12 Turbina Rateau: Turbina de reação com um estágio de velocidade e vários de pressão. Conhecida também como turbina de Prazos. A queda total de pressão entre a entrada e a saída é subdividida em um certo número de quedas parciais, uma para cada estágio. Como o volume específico do vapor aumenta de um estágio ao outro, as seções por onde o vapor passa devem ir aumentando sucessivamente. Como as diferenças de pressão utilizadas nos diferentes estágios são reduzidas, as velocidades adquiridas pelo vapor também são pequenas, de forma que as perdas por atrito serão pequenas, permitindo assim um maior número de estágios.

13 Turbina Curtis - Rateau: O desenvolvimento desta turbina partiu do princípio de se conseguir velocidades de pás ideais (portanto maiores rendimentos) utilizando-se um uma combinação de estágios Curtis (escalonamento de Velocidade) e estágios Rateau (escalonamento de Pressão). Como mostrado na figura ao lado, a pressão não cai nos estágios fixos ou nos móveis, e sim nos expansores (escalonadores de pressão) e a velocidade cai conforme uma turbina Curtis entre os expansores.

14 Turbina Parsons: Este tipo de turbinas é constituído de múltiplos estágios de reação, que resulta em quedas parciais de pressão através de sucessivas fileiras de palhetas fixas e moveis. Com isto a queda de pressão em cada fileira de palhetas é pequena resultando em baixas velocidades do vapor em cada estágio. À medida que o vapor se expande, o seu volume específico aumenta, motivo pelo qual as fileiras sucessivas de palhetas tem suas dimensiones aumentadas de forma progressiva. Nos estágios de alta pressão ocorre fuga de vapor através das folgas entre as palhetas moveis e a carcaça, resultando em perda de eficiência, portanto evita-se usar turbinas de reação em turbinas de alta pressão.

15 Turbina Parsons: Neste tipo usam-se os estágios de ação e reação de forma escalonada. Primeiro usa-se um estágio Curtis (por exemplo duas quedas de velocidade) para reduzir a pressão e temperatura do vapor e logo em seguida usa-se os estágios de reação.

16 Calculo da potência em Turbina a Vapor: O vapor na caldeira no estado 1, tendo uma pressão e temperatura elevadas, se expande através da turbina para produzir trabalho e então é descarregado no condensador no estado 2. Desta forma, fazendo algumas aproximações o trabalho produzido pela turbina por unidade de massa pode ser dado pela seguinte forma

17 Reaquecimento: No reaquecimento, o vapor é retirado da turbina durante o processo de expansão e então levado novamente para o aquecedor. Com isso é possível obter mais trabalho na turbina.

18 Catálogo Turbina Siemens: A figura ao lado apresenta um painel para escolha de turbinas a vapor da Siemens. As áreas em branco representam a abrangência de potência que o equipamento pode fornecer.

19 Termoelétrica em ciclo combinado

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