APS1 Maquinas e Equipamentos Industriais - Turbinas a Vapor

DISCIPLINA Máquinas e Equipamentos Industriais NOME GRUPO PROFESSOR DATA UNIDADE Leia as instruções antes de começar a avaliação a Esta atividade APS1 vale 20 pontos b O total de folhas do trabalho deve ser de no máximo 4 não contando nestas folhas a Folha de Rosto Referências Bibliográficas e Anexos A folha é em A4 com Margem superior 20 cm Margem esquerda 20 cm Margem direita 20 cm e Margem inferior 20 cm c Tipo e tamanho da Fonte Deve ser utilizada a fonte Calibri no tamanho de letra 12 exceto em citações diretas longas com mais de três linhas nota de rodapé paginação e legenda para estas é utilizado tamanho 10 O texto deve ser justificado com indicações de parágrafos e impresso na cor preta d Espaço entre as Linhas No corpo do texto utilizase espaço 15 entre as linhas Existindo algumas exceções Quando é feita uma citação direta longa com mais de três linhas utilizase espaço simples entre as linhas e letra tamanho 10 Nas notas de rodapé também o espaço entre as linhas é simples e letra tamanho 10 Nas Referências bibliográficas utilizase espaço simples separadas entre si por dois espaços simples Os indicativos de seção são alinhados à margem esquerda e separados do texto do documento por um espaço entre as linhas de 15 e Demais informações sobre a formatação Revista Projectus httpsrevistasunisuamedubrindexphpprojectusaboutsubmissions f Para o envio deste trabalho digitalize as folhas e as envie em um arquivo único no formato pdf para o ambiente do Google Classroom Atividade APS1Maq e Equip Ind g Atente para a originalidade do trabalho sempre referencie a fonte consultada em trechos escritos no texto do relatório como também informe a origem das imagens tabelas fotos entre outros que forem publicadas no trabalho Bom Trabalho ATIVIDADE Segundo Macintyre 2011 em sua obra Equipamentos Industriais e de Processo informa que Uma turbina a vapor é uma máquina motriz que utiliza a elevada energia cinética da massa de vapor expandido fazendo com que as forças consideráveis devidas à variação de velocidade atuem sobre palhetas fixadas a um rotor As forças aplicadas às palhetas determinam um momento motor resultante que faz girar o rotor São usadas para o acionamento de geradores elétricos compressores turbobombas sopradores etc Portanto faça um estudo e escreva um texto informativoexpositivo de no máximo com 4 páginas conforme as instruções que se encontram na folha de rosto desta atividade abordando os seguintes assuntos Princípios fundamentais de máquinas térmicas aplicados a Turbinas a Vapor Classificação e descrição das Turbinas a Vapor Equações e parâmetros para a escolha de uma Turbina a Vapor Ações de manutenção para as Turbinas a Vapor Exponha e explique o funcionamento da Turbina a Vapor em uma situação real de uso Referência Bibliográfica MACINTYRE A J Equipamentos Industriais e de Processo Rio de Janeiro LTC 2011 1 Introdução Turbinas a vapor são equipamentos mecânicos que transformam a energia do vapor em energia mecânicatrabalho através da expansão do vapor dágua pressurizado e superaquecido Essa energia mecânica pode ser utilizada como uma força motriz ou convertida em energia elétrica que por sinal é geradora de 50 da energia elétrica mundial geração de energia com o carvão nuclear e produtos petrolíferos gráfico 1 Mas esse número pode ser ainda maior já que as usinas elétricas são na grande maioria uma variação das usinas a vapor onde o fluido de trabalho é a água na forma de vapor Shapiro 5ed Gráfico 1 distribuição das formas de geração de energia Fonte University of Calgary Energy Education httpsenergyeducationcaencyclopediaElectricalgenerationWorldelectricitygeneration Uma turbina é um dispositivo que possui diversas palhetas que podem ser móveis rotores ligados ao eixo central ou fixas estatores conectados à carcaça ou partes fixas da turbina e têm formato divergente A diferença de pressão maior na seção menor e menor na seção maior impulsiona o vapor para a saída da turbina e consequentemente a rotação do eixo central As turbinas a vapor são alimentadas com vapor saturado ou superaquecido Esse vapor se expande de forma abrupta fazendo com que a energia cinética de movimento do fluido e a energia térmica de expansão impulsione os rotores ou sejam transferidas aos rotores na forma de energia mecânica Na saída da turbina o fluido que sofre uma transformação costuma ser uma mistura bifásica de líquido e vapor 2 Classificação As turbinas a gás podem ser classificadas quando à sua construção e quanto ao seu funcionamento Quando à sua construção podem ser classificadas em radiais e axiais que condiz com o fluxo que o fluido segue dentro da turbina Turbinas axiais como o nome sugere segue um fluxo axial por toda a turbina e é o tipo mais utilizado na indústria pois pode ser utilizado para uma alta geração de potência Já as turbinas radiais tem o fluxo de fluido na saída perpendicular ao sentido de entrada Sua vantagem é ser compacta mas não suporta altas gerações de potência Quando ao seu funcionamento podem ser classificadas em turbinas de ação e turbinas de reação Nas turbinas de ação os rotores são movidos diretamente pela energia cinética de expansão do fluido O fluido é expandido nos rotores fixos e direcionados aos rotores móveis que é impulsionado fazendo a transformação energética cinéticamecânica E na turbina de reação a expansão acontece juntamente com o movimento do eixo central As palhetas móveis possuem formato de bocal então além das palhetas fixas os móveis também realizam a expansão e dessa forma provoca a rotação do eixo central 3 Dimensionamento O dimensionamento da turbina a vapor adequada depende de diversos fatores como a potência produzida a eficiência geral condições de operação do fluido na turbina e sua qualidade rotação dimensões entre outros aspectos Os principais fatores são a potência produzida mas todos os outros fatores dependem diretamente da potência produzida Por exemplo para maiores potências o vapor na entrada da turbina deve ser mais superaquecido e dessa forma os materiais utilizados na construção devem ser mais robustos o que interfere no peso dimensão e eficiência Sendo assim a potência requerida é o principal parâmetro a ser determinado Sabendo que na turbina os rotores são distribuídos em estágios a potência gerada por cada estágio é dada por W mUV t1V t 2 A equação acima foi obtida em materiais de aula do professor dr Giovani Telli 2023 da Universidade de Caxias do Sul Onde W é a potência gerada em cada estágio M é a vazão mássica de vapor escoando U é a velocidade tangencial da palheta Vt1 é a velocidade relativa tangencial na entrada da palheta e Vt2 é a velocidade relativa tangencial na saída da palheta Tais velocidades devem ser encontradas através do triângulo de velocidades e dependem da construção das palhetas Outra análise que pode ser realizada é a análise termodinâmica mas tal análise serve apenas como um parâmetro de referência já que nelas as turbinas são modeladas como isentrópicas onde o dispositivo produz trabalho sem sofrer perdas de calor Tal análise é dada pela conservação da energia EentradaEsaída V 1 2 2 g z1Q1W 1U1 P1 ρ1V 1 2 2 g z1Q1W 1 H1 V 1 2 2 g z1Q 1W 1H 1V 2 2 2 gz2Q2W 2H 2 Para turbinas adiabáticas e sem desníveis a equação se reduz a V 1 2 2 H 1V 2 2 2 W 2 H 2W turbinaV 1 2V 2 2 2 H 1 H 2 4 Manutenção A manutenção nas turbinas a vapor deve acontecer de forma periódica assim como qualquer dispositivo mecânico Os principais pontos a serem observados são as condições de lubrificação das partes rotatórias o monitoramento dos níveis de vibração e ruídos verificação periódica das condições dos mancais e limpeza Observar também os desgastes sofridos pelas palhetas carcaça e bocais É importante também a realização da manutenção nos outros componentes ligados à turbina como a caldeira pois é dela que o fluido virá para a turbina portanto não deve haver impurezas ou partículas suspensas no fluido desde a caldeira 5 Turbina a vapor real Uma turbina a vapor real opera com diversas válvulas para controle de vazão e também sensores para controle de temperatura e vibrações As turbinas são equipadas com diversas válvulas mas as principais são as válvulas de emergência e as válvulas de controle A de emergência como o nome sugere interrompe o fluxo por completo e é acionado em casos de emergência E as válvulas de controle fazem o controle do fluxo para que a geração de potência varie Tal condição de variação na produção de potência é importante em casos de distúrbios na rede elétrica httpsenergyeducationcaencyclopediaElectricalgenerationWorldelectricitygeneration httpsenergyeducationcaencyclopediaTurbine 1 Introdução Turbinas a vapor são equipamentos mecânicos que transformam a energia do vapor em energia mecânicatrabalho através da expansão do vapor dágua pressurizado e superaquecido Essa energia mecânica pode ser utilizada como uma força motriz ou convertida em energia elétrica que por sinal é geradora de 50 da energia elétrica mundial geração de energia com o carvão nuclear e produtos petrolíferos gráfico 1 Mas esse número pode ser ainda maior já que as usinas elétricas são na grande maioria uma variação das usinas a vapor onde o fluido de trabalho é a água na forma de vapor Shapiro 5ed Gráfico 1 distribuição das formas de geração de energia Fonte University of Calgary Energy Education httpsenergyeducationcaencyclopediaElectricalgenerationWorldelectricitygeneration Uma turbina é um dispositivo que possui diversas palhetas que podem ser móveis rotores ligados ao eixo central ou fixas estatores conectados à carcaça ou partes fixas da turbina e têm formato divergente A diferença de pressão maior na seção menor e menor na seção maior impulsiona o vapor para a saída da turbina e consequentemente a rotação do eixo central As turbinas a vapor são alimentadas com vapor saturado ou superaquecido Esse vapor se expande de forma abrupta fazendo com que a energia cinética de movimento do fluido e a energia térmica de expansão impulsione os rotores ou sejam transferidas aos rotores na forma de energia mecânica Na saída da turbina o fluido que sofre uma transformação costuma ser uma mistura bifásica de líquido e vapor 2 Classificação As turbinas a gás podem ser classificadas quando à sua construção e quanto ao seu funcionamento Quando à sua construção podem ser classificadas em radiais e axiais que condiz com o fluxo que o fluido segue dentro da turbina Turbinas axiais como o nome sugere segue um fluxo axial por toda a turbina e é o tipo mais utilizado na indústria pois pode ser utilizado para uma alta geração de potência Já as turbinas radiais tem o fluxo de fluido na saída perpendicular ao sentido de entrada Sua vantagem é ser compacta mas não suporta altas gerações de potência Quando ao seu funcionamento podem ser classificadas em turbinas de ação e turbinas de reação Nas turbinas de ação os rotores são movidos diretamente pela energia cinética de expansão do fluido O fluido é expandido nos rotores fixos e direcionados aos rotores móveis que é impulsionado fazendo a transformação energética cinéticamecânica E na turbina de reação a expansão acontece juntamente com o movimento do eixo central As palhetas móveis possuem formato de bocal então além das palhetas fixas os móveis também realizam a expansão e dessa forma provoca a rotação do eixo central 3 Dimensionamento O dimensionamento da turbina a vapor adequada depende de diversos fatores como a potência produzida a eficiência geral condições de operação do fluido na turbina e sua qualidade rotação dimensões entre outros aspectos Os principais fatores são a potência produzida mas todos os outros fatores dependem diretamente da potência produzida Por exemplo para maiores potências o vapor na entrada da turbina deve ser mais superaquecido e dessa forma os materiais utilizados na construção devem ser mais robustos o que interfere no peso dimensão e eficiência Sendo assim a potência requerida é o principal parâmetro a ser determinado Sabendo que na turbina os rotores são distribuídos em estágios a potência gerada por cada estágio é dada por 𝑊 𝑚 𝑈 𝑉𝑡1 𝑉𝑡2 A equação acima foi obtida em materiais de aula do professor dr Giovani Telli 2023 da Universidade de Caxias do Sul Onde W é a potência gerada em cada estágio M é a vazão mássica de vapor escoando U é a velocidade tangencial da palheta Vt1 é a velocidade relativa tangencial na entrada da palheta e Vt2 é a velocidade relativa tangencial na saída da palheta Tais velocidades devem ser encontradas através do triângulo de velocidades e dependem da construção das palhetas Outra análise que pode ser realizada é a análise termodinâmica mas tal análise serve apenas como um parâmetro de referência já que nelas as turbinas são modeladas como isentrópicas onde o dispositivo produz trabalho sem sofrer perdas de calor Tal análise é dada pela conservação da energia 𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝐸𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑉1 2 2 𝑔𝑧1 𝑄1 𝑊1 𝑈1 𝑃1 𝜌1 𝑉1 2 2 𝑔𝑧1 𝑄1 𝑊1 𝐻1 𝑉1 2 2 𝑔𝑧1 𝑄1 𝑊1 𝐻1 𝑉2 2 2 𝑔𝑧2 𝑄2 𝑊2 𝐻2 Para turbinas adiabáticas e sem desníveis a equação se reduz a 𝑉1 2 2 𝐻1 𝑉2 2 2 𝑊2 𝐻2 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑉1 2 𝑉2 2 2 𝐻1 𝐻2 4 Manutenção A manutenção nas turbinas a vapor deve acontecer de forma periódica assim como qualquer dispositivo mecânico Os principais pontos a serem observados são as condições de lubrificação das partes rotatórias o monitoramento dos níveis de vibração e ruídos verificação periódica das condições dos mancais e limpeza Observar também os desgastes sofridos pelas palhetas carcaça e bocais É importante também a realização da manutenção nos outros componentes ligados à turbina como a caldeira pois é dela que o fluido virá para a turbina portanto não deve haver impurezas ou partículas suspensas no fluido desde a caldeira 5 Turbina a vapor real Uma turbina a vapor real opera com diversas válvulas para controle de vazão e também sensores para controle de temperatura e vibrações As turbinas são equipadas com diversas válvulas mas as principais são as válvulas de emergência e as válvulas de controle A de emergência como o nome sugere interrompe o fluxo por completo e é acionado em casos de emergência E as válvulas de controle fazem o controle do fluxo para que a geração de potência varie Tal condição de variação na produção de potência é importante em casos de distúrbios na rede elétrica httpsenergyeducationcaencyclopediaElectricalgenerationWorldelectricitygeneration httpsenergyeducationcaencyclopediaTurbine