Máquinas Térmicas: Turbinas a Vapor e a Gás

MÁQUINAS TÉRMICAS Aline Morais da Silveira Figura 1 Esquema de uma turbina extraindo energia de um fluido Fonte Çengel e Cimbala 2015 p 788 A turbina a vapor é uma máquina térmica de combustão externa que converte a energia térmica do vapor em trabalho mecânico conforme apontam Çengel e Boles 2013 Já a turbina a gás segundo Brunetti 2018 p 48 é um motor rotativo de combustão interna uma vez que utiliza os gases produzidos por uma combustão para o seu acionamento As turbinas a gás operam com níveis de pressão muito superiores às turbinas a vapor o que faz com que seja necessária maior robustez na sua instalação Elas possuem como diferencial não depender de fontes de água Çengel e Cimbala 2015 citam que as turbinas a vapor e a gás são máquinas dinâmicas pois não há um volume fechado para onde o fluido é direcionado mas sim pás rotativas que extraem a energia do fluido A velocidade com que uma turbina trabalha depende de seu tamanho e sua finalidade As turbinas também podem ser classificadas em função do seu princípio de funcionamento ou seja de ação por impulso ou de reação White 2018 p 773 comenta que as turbinas de reação são essencial mente máquinas dinâmicas projetadas para receber o fluido de alta energia e extrair sua quantidade de movimento Nelas o fluido com alta pressão entra tangencialmente passando pelas palhetas fixas e sendo encaminhado em direção ao rotor Já na turbina de ação o fluido passa por um bocal onde a maior parte da energia mecânica disponível é transformada em energia cinética posteriormente um jato de alta velocidade toca as palhetas que transferem a energia para o eixo da turbina Turbinas a vapor e a gás 2 White 2018 p 773 destaca que as turbinas de reação são menores porque o fluido preenche todas as pás de uma só vez Normalmente a turbina de reação produz mais potência do que a turbina por impulso com as mesmas características como diâmetro vazão e carga líquida Cengel e Cimbala 2015 p 835 destacam que comparando as duas turbinas dinâmicas para produção de energia vemos que as turbinas por impulso exigem carga maior mas podem operar com vazão de escoamento menor As turbinas de reação podem operar com muito menos carga mas exigem uma vazão volumétrica mais alta Outra forma de classificar as turbinas é em função da direção do escoamento sendo axiais ou radias Nas turbinas axiais o escoamento ocorre predominan temente na direção do eixo onde o fluido entra e sai do rotor na direção axial Já nas turbinas radiais o escoamento predominante ocorre na direção radial ou seja o fluido entra no rotor na direção axial mas sai na direção radial Çengel e Cimbala 2015 explicam que as grandes turbinas a vapor geralmente tra balham a velocidades baixas como 150 rpm enquanto as turbinas a gás utilizadas na geração de energia elétrica podem chegar a 3600 rpm Turbinas a vapor Segundo Planas 2019 as turbinas a vapor são máquinas térmicas versáteis que são utilizadas principalmente em termoelétricas mas que também podem ser aplicadas em indústrias e na propulsão de navios Seu uso em indústrias é indicado quando se deseja obter as energias elétrica e térmica como é o caso de indústrias de papel e celulose petroquímicas de açúcar e álcool entre outras A turbina a vapor pode ser utilizada em conjunto com um gerador quando se deseja a geração de energia ou em conjunto com uma hélice quando se deseja um sistema de propulsão Na Figura 2a é apresentado o esquema de uma usina nuclear composta por reator turbina a vapor e gerador Já na Figura 2b é ilustrada a aplicação de uma turbina a vapor na geração de energia geotérmica que é a energia obtida a partir do calor do interior da Terra Segundo Çengel e Boles 2013 p 563 as usinas de potência a vapor são responsáveis pela produção da maior parte da energia elétrica do mundo 3 Turbinas a vapor e a gás Figura 2 Esquemas de a uma usina nuclear e b geração de energia geotérmica Fonte Adaptada de BlueRingMediaShutterstockcom aurielakiShutterstockcom a b Turbinas a gás A aplicação da turbina a gás influencia diretamente na sua configuração sendo que o conjunto completo é composto basicamente por compressor câmara de combustão combustor e a turbina propriamente dita como você pode ver na Figura 3 Figura 3 Turbina a gás utilizada para a produção de energia elétrica Fonte Çengel e Boles 2013 p 229 Turbinas a vapor e a gás 4 As primeiras turbinas a gás foram desenvolvidas nos anos 1930 mas com baixa eficiência Ao longo dos anos buscouse aumentar as temperaturas de entrada na turbina de 540ºC em 1940 para 1425ºC em 2010 aumentar a eficiência dos componentes e modificar o ciclo básico resfriamento interme diário regeneração e reaquecimento ÇENGEL BOLES 2013 Regeneração é o aquecimento do ar que sai do compressor à alta pressão com o calor dos gases de exaustão As turbinas a gás são aplicadas na geração de energia elétrica e na propulsão de aviões helicópteros navios automóveis e até tanques de guerra White 2018 p 772 cita que as turbinas a gás têm uma maior relação potência peso do que os motores alternativos mas giram a velocidades muito altas e requerem materiais para alta temperatura e portanto são caras Para a aplicação em usinas de geração de energia elétrica as turbinas podem ser utilizadas de forma independente ou então associadas com usinas a vapor Segundo Çengel e Boles 2013 a construção de uma usina com turbina a gás custa aproximadamente a metade da construção de uma usina a vapor com combustível fóssil convencional gasolina óleo diesel gás natural carvão entre outros Futuramente estimase que mais da metade das usinas serão com turbinas a gás ou então com uma combinação de turbinas a gás e a vapor Na propulsão de aviões a turbina a gás produz a potência que move o compressor e um pequeno gerador além de produzir o empuxo responsável pela movimentação do avião por meio dos gases de exaustão Outra aplicação de turbinas em aviões é na ponta de suas asas como você pode ver nos detalhes da Figura 4 A energia extraída dos vórtices é convertida em eletricidade para ser usada a bordo do avião 5 Turbinas a vapor e a gás Figura 4 Turbinas projetadas para extrair energia dos vórtices das pontas das asas de um avião Fonte Çengel e Cimbala 2015 p 835 As turbinas a gás que equipam navios são responsáveis tanto pela propulsão do navio quanto pela geração de energia elétrica De acordo com Çengel e Boles 2013 p 509 seu uso garante maior potência para um determinado tamanho e peso alta confiabilidade vida mais longa e operação mais conve niente ao ser comparada a sistemas diesel ou de turbinas a vapor A turbina a gás possui a vantagem de ser compacta em relação à potência que é capaz de produzir mas tem tendência a temperaturas elevadas na câmara necessitando de resfriamento E mesmo sendo possível o uso de diversos combustíveis ainda é uma menor variedade do que é possível na turbina a vapor 2 Funcionamento das turbinas a vapor Cunha 2016 documento online define a turbina a vapor como um dis positivo que extrai energia térmica do vapor pressurizado e a transforma em energia cinética Com isso é possível realizar trabalho em um rotor gerando eletricidade O ciclo ideal para o funcionamento das turbinas a vapor é o ciclo Turbinas a vapor e a gás 6 Rankine que é um ciclo fechado como você pode observar no esquema da Figura 5 composto por bomba caldeira turbina e condensador Figura 5 Ciclo ideal de uma turbina a vapor Fonte Potter e Somerton 2017 p 215 No ciclo ideal a água é comprimida na bomba até atingir a pressão de operação da caldeira e na caldeira ela é aquecida atingindo a forma de vapor O vapor de água entra na turbina através dos bocais e é redirecionado pelas pás estacionárias de encontro às pás móveis Essa mudança de direção gera força sobre as pás móveis fazendo com que o eixo da turbina seja rotacionado e a potência de eixo seja produzida O vapor que sai da turbina é encaminhado ao condensador sendo que o calor é rejeitado para o ambiente e a água fica disponível para ser encaminhada para a bomba novamente O resfriamento das usinas a vapor pode ser feito com água ou com ar sendo esse segundo mais utilizado em situações de escassez de água 7 Turbinas a vapor e a gás Para melhorar a eficiência do ciclo Rankine pode ser aumentada a pres são na caldeira Por outro lado a qualidade do vapor que sai da turbina pode ficar baixa demais menos de 90 resultando em danos graves às pás da turbina causados pelas gotículas de água o que prejudica a eficiência da turbina POTTER SOMERTON 2017 p 217 Também é possível aumentar a temperatura máxima nunca esquecendo das limitações metalúrgicas da caldeira que normalmente permitem temperaturas de até 600ºC o que aumenta a qualidade do vapor e diminui as gotículas de água na turbina Outras formas de buscar o aumento da eficiência de uma turbina a vapor são por meio de reaquecimento e regeneração fazendo com que essas turbinas possuam dois estágios um de alta pressão e um de baixa pressão Borgnakke e Sonntag 2018 p 377 destacam que no ciclo com reaquecimento o vapor em princípio expande até uma pressão intermediária na turbina Ele então é reaquecido na caldeira e novamente expande na turbina até a pressão de saída Na Figura 6 é ilustrado um ciclo Rankine ideal com reaquecimento Esse ciclo foi desenvolvido com o principal objetivo de aproveitar o aumento de rendimento que é causado pelas pressões mais altas e a redução da umidade nos estágios de baixa pressão da turbina Figura 6 Ciclo ideal com reaquecimento Fonte Borgnakke e Sonntag 2018 p 377 Turbinas a vapor e a gás 8 No ciclo com regeneração que está ilustrado na Figura 7 segundo Borg nakke e Sonntag 2018 p 377 após deixar a bomba o líquido circula ao redor da carcaça da turbina Assim é possível transferir o calor do vapor enquanto este escoa na turbina ao líquido que escoa ao redor da turbina Figura 7 Ciclo ideal com regeneração Fonte Borgnakke e Sonntag 2018 p 379 O reaquecimento impede a formação de gotículas na turbina Já o ciclo com regeneração tem problemas de umidade nas regiões de baixa pressão fazendo com que geralmente sejam combinados ciclos de reaquecimento e regeneração Como já citamos anteriormente as turbinas a vapor podem ser utilizadas em indústrias que necessitam de vapor para gerar eletricidade e também para fornecer energia para o processo produtivo seja por meio de vapor ou de água quente Borgnakke e Sonntag 2018 p 386 explicam que essa aplicação ilus trada na Figura 8 é chamada de cogeração em que o vapor é expandido até uma pressão intermediária em uma turbina de alta pressão do ciclo de potência como fonte de energia do processo produtivo não sendo necessária uma segunda caldeira de uso exclusivo do processo produtivo 9 Turbinas a vapor e a gás Figura 8 Sistema de cogeração Fonte Borgnakke e Sonntag 2018 p 387 Um ciclo real de potência utilizando turbina a vapor sofre algumas perdas irreversíveis como por meio do atrito do fluido da perda de calor para a vi zinhança do vazamento de vapor durante o ciclo entre outros Para melhorar a eficiência térmica a temperatura média do fluido deve ser a mais alta possível durante o fornecimento de calor e a mais baixa possível durante a rejeição de calor ÇENGEL BOLES 2013 p 563 Nas turbinas a vapor de ação não há queda de pressão no rotor diferentemente do que acontece nas turbinas a vapor de reação Turbinas a vapor e a gás 10 3 Funcionamento das turbinas a gás Segundo Çengel e Boles 2013 as turbinas a gás geralmente funcionam em ciclo aberto como você pode ver na Figura 9 O ar na condição ambiente 1 é admitido no compressor fazendo com que sua temperatura e sua pressão sejam elevadas 2 para posteriormente entrar na câmara de combustão Na câmara de combustão um combustível é queimado à pressão constante e os gases resultantes à alta temperatura 3 são encaminhados para a turbina Na turbina esses gases são expandidos até atingirem a pressão atmosférica enquanto a potência wlíq é gerada e os gases de exaustão 4 são eliminados Figura 9 Ciclo aberto de uma turbina a gás Fonte Çengel e Boles 2013 p 507 11 Turbinas a vapor e a gás Quando a turbina a gás é utilizada para propulsão é preciso que os gases quentes sejam acelerados em um bocal para somente depois serem descar regados na atmosfera diferentemente do que ocorre no caso da geração de energia elétrica O ciclo ideal para o funcionamento das turbinas a gás é o ciclo Brayton que modela o funcionamento como um ciclo fechado Nesse ciclo o processo de combustão é substituído por um processo de fornecimento de calor a uma pressão constante a partir de uma fonte externa e o processo de exaustão é substituído por um processo de rejeição de calor a uma pressão constante para o ar ambiente ÇENGEL BOLES 2013 p 507 e 508 Esse ciclo está ilustrado na Figura 10 Figura 10 Ciclo fechado de uma turbina a gás Fonte Çengel e Boles 2013 p 508 Turbinas a vapor e a gás 12 A eficiência térmica ηt das turbinas a gás depende diretamente da razão de pressão da turbina rp e da razão dos calores específicos do fluido de trabalho k como é possível observar no gráfico da Figura 11 para k 14 A razão de pressão da turbina é a razão entre a pressão na saída do compressor e a pressão na saída da turbina e de acordo com Çengel e Boles 2013 na maioria dos projetos varia entre 11 e 16 Figura 11 Eficiência térmica de um ciclo Brayton Fonte Çengel e Boles 2013 p 509 Borgnakke e Sonntag 2018 p 426 comentam que o rendimento do ciclo de uma turbina a gás pode ser melhorado com o uso de um regenerador como apresentado na Figura 12 em que a temperatura do gás de exaustão que deixa a turbina no estado 4 é maior que a temperatura do gás que deixa o compressor Assim o calor pode ser transferido dos gases de descarga da turbina para os gases de alta pressão que deixam o compressor 13 Turbinas a vapor e a gás Figura 12 Ciclo ideal com regeneração Fonte Borgnakke e Sonntag 2018 p 426 Nas turbinas a gás o ar tem a função de participar da combustão do combustível e também refrigerar os componentes Para poder refrigerar os componentes é necessário que seja admitido mais ar do que o necessário para a combustão completa do combustível Çengel e Cimbala 2015 p 847 comentam que uma turbina a gás é similar a um motor a jato exceto que em vez de fornecer empuxo a turbina é desenhada para o máximo de energia do combustível para um eixo rotativo que é conectado com um gerador elétrico Ao longo deste capítulo você pode compreender as principais diferenças no funcionamento das turbinas a vapor e a gás Foram apresentados ciclos ideais de funcionamento como os ciclos Rankine e Brayton mas sabemos que na prática não é possível reproduzilos pois não temos todas as condições per feitas para a sua execução Com isso nos ciclos reais são observadas algumas perdas ao longo do processo fazendo com que seu rendimento seja reduzido Isso justifica a aplicação de processos como regeneração eou reaquecimento e de elementos como materiais de alta tecnologia água e gases de qualidade elevada manutenção periódica dentre outros A escolha de qual turbina será utilizada e dos ajustes necessários no processo depende da aplicação à que ela se destina dos resultados esperados do investimento possível do contato com contaminantes e corrosivos entre outros fatores Turbinas a vapor e a gás 14 BORGNAKKE C SONNTAG R E Fundamentos da termodinâmica 2 ed São Paulo Blucher 2018 Série Van Wylen BRUNETTI F Motores de combustão interna 2 ed São Paulo Blucher 2018 1 v ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 ÇENGEL Y A CIMBALA J M Mecânica dos Fluidos fundamentos e aplicações 3 ed Porto Alegre AMGH 2015 CUNHA I O da Otimização de ciclo de turbina a vapor com três extrações utilizando o programa IPSEpro Trabalho de Conclusão de Curso Graduação em Engenharia Me cânica Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio De Janeiro Rio de Janeiro 2016 Disponível em httpmonografiaspoliufrjbrmonografias monopoli10019737pdf Acesso em 11 ago 2020 PLANAS O Turbina a vapor 2019 Disponível em httpsptsolarenergianetblog turbinaavapor Acesso em 11 ago 2020 POTTER M C SOMERTON C W Termodinâmica para engenheiros 3 ed Porto Alegre Bookman 2017 WHITE F M Mecânica dos fluidos 8 ed Porto Alegre AMGH 2018 Leitura recomendada BEZERRA E C et al Conversão de energia Porto Alegre SAGAH 2018 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu fun cionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links 15 Turbinas a vapor e a gás