Turbinas a Vapor

TEMA Turbinas a vapor e sistemas de potência a vapor Funcionamento tipos de turbinas aplicação no sistema térmico de potência Referência SUGERIDA disponível na biblioteca virtual 1 Introdução à Engenharia de Sistemas Térmicos Autor Moran Shapiro 2 Operação de Caldeiras gerenciamento controle e manutenção Autor Manoel Henrique Campos Botelho Turbinas a vapor e sistemas de potência a vapor Introdução Turbina a vapor é uma máquina utilizada para converter energia térmica contida no vapor em energia mecânica que posteriormente pode ser convertida em energia elétrica através de um gerador esse processo de conversão se dá pela expansão do vapor através de pás rotativas que geram torque em um eixo potência Essa máquina é amplamente utilizada em usinas termelétricas onde energia é gerada através da queima de combustíveis fósseis ou biomassa e em usinas nucleares através da fissão do urânio Princípios de funcionamento O funcionamento de uma turbina a vapor é baseada no ciclo Rankine onde o vapor é gerado em uma caldeira aquecida que superaquece até atingir alta temperatura e pressão o vapor é conduzido até a turbina onde ocorre a expansão transferindo parte da sua energia para o movimento de rotação das pás da turbina após isto o vapor é então condensado e retorna até a caldeira para ser aquecido e assim completando o ciclo O ciclo Rankine Figura 1 ideal é composto por quatro processos principais compressão isentrópica aquecimento a pressão constante expansão isentrópica e resfriamento a pressão constante Figura 1 Ciclo Rankine No processo de compressão isentrópica o líquido de trabalho é geralmente a água ocorre o bombeamento a alta pressão para a caldeira o líquido recebe calor a pressão constante sendo vaporizado e aquecido até atingir o estado de vapor superaquecido tal vapor é expandido na turbina e parte da sua energia interna é convertida em trabalho de eixo sendo o processo de expansão considerado isentrópico idealmente Após a geração de potência no eixo o vapor é então resfriado e condensado a pressão constante geralmente em condensadores reiniciando o ciclo como mostrado na Figura 2 Figura 2 Diagrama Temperatura vs Entropia no ciclo Rankine ideal Tipos de turbinas a vapor Turbina de ação O vapor é direcionado para as pás com alta velocidade e a maior parte da expansão acontece fora das pás acontece nos bicos que direcionam o vapor A pressão é a mesma sobre os dois lados do rotor Utilizada principalmente em baixas potências e operam com condições de pressão limitadas Turbina de reação O vapor se expande também no rotor não só nas pás Ou seja a pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo Turbina de contrapressão Na etapa posterior à produção de torque de eixo este tipo de turbina não entrega o vapor para um condensador mas para outro processo produtivo que utilizao São comuns em plantas de cogeração onde os processos subsequentes demandam calor A pressão de escape do vapor é superior à pressão atmosférica Turbina de condensação Na etapa posterior à produção de torque de eixo este tipo de turbina entrega o vapor a um condensador onde é convertido ao seu estado inicial água A pressão de escape do vapor é inferior à pressão atmosférica Uso de sistemas para melhor aproveitamento do ciclo Rankine Reaquecimento Secundário Acontece quando o vapor se expansiona parcialmente na turbina e em seguida volta a caldeira onde se reaquece antes de voltar a turbina a vapor no corpo de baixa pressão e expandirse definitivamente Figura 3 Reaquecimento ideal Figura 4 Diagrama Temperatura vs Entropia no reaquecimento ideal Ciclo com regeneração Recuperação Neste ciclo se utilizam turbinas a vapor de extração se extrai da turbina uma parte do seu fluxo de vapor em certos pontos da expansão e se utiliza o calor residual do vapor para préaquecer a água de alimentação da caldeira A água produzida por condensação do vapor nos préaquecedores geralmente se junta a água de alimentação impulsionandoa por meio de bombas Figura 5 Ciclo de potência regenerativo Figura 6 Diagrama Temperatura vs Entropia do ciclo de potência regenerativo Aplicações em sistemas térmicos de potência Usinas termelétricas O vapor gerado nas caldeiras a partir da queima de combustíveis fósseis ou biomassa é conduzido para a turbina onde ocorre a expansão convertendo energia térmica em mecânica no eixo o eixo então está acoplado a um gerador elétrico transformando o movimento de rotação em energia elétrica através das bobinas Para melhorar a eficiência do processo são usadas torres de resfriamento para acelerar a etapa de condensação Figura 7 Esquema de uma usina termelétrica Usinas nucleares Resultante do processo de fissão nuclear é a liberação de energia em forma de calor que aquece o fluido de trabalho até atingir o estado de vapor superaquecido que é conduzido até a turbina a vapor chegando lá é expandido e transforma sua energia interna em energia mecânica no eixo e por conseguinte o eixo acoplado a um gerador elétrico gera energia elétrica O seu esquema geral se parece com uma termelétrica mudando apenas a maneira que aquecese o fluido de trabalho Figura 8 Esquema de uma usina nuclear Cogeração Esta aplicação para as turbinas são utilizadas em plantas onde o vapor que escapa da turbina é utilizado para aquecer processos industriais não sendo conduzido diretamente para a etapa da condensação numa planta simples Também são chamados de ciclos combinados Figura 9 Cogeração Referências MORAN M J et al Introdução à engenharia de sistemas térmicos 1ª Edição Rio de Janeiro LTC 2005 UBERTI V A INDRUSIAK M L S Modelagem e estudo de rendimento termodinâmico de ciclos combinados de geração termelétrica Revista Liberato Sl v16 n25 p0110 2015 TURBINAS A VAPOR E CICLOS DE POTÊNCIA A VAPOR Conversão de energia térmica em energia mecânica A expansão do vapor aciona as pás das turbinas gerando potência de eixo Tal eixo é acoplado a um gerador que gera energia elétrica Geralmente as turbinas a vapor são utilizadas em usinas termelétricas e nucleares INTRODUÇÃO PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Baseado no ciclo Rankine 1 Vapor é gerado a alta temperatura e pressão na caldeira 2 Vapor conduzido até a turbina onde há a expansão do fluido de trabalho e consequentemente o acionamento das pás da turbina gerando potência de eixo 3 Vapor é condensado 4 Fluido de trabalho é bombeado para a caldeira TIPOS DE TURBINA A VAPOR 01 02 03 Turbina de ação Turbina de reação Turbina de contrapressão 04 Turbina de condensação 1 2 3 e 4 USO DE SISTEMA PARA AUMENTO DA EFICIÊNCIA DO CICLO Reaquecimento secundário Ciclo com Regeneração APLICAÇÕES EM SISTEMAS TÉRMICOS DE POTÊNCIA USINA TERMELÉTRICA USINA NUCLEAR COGERAÇÃO TURBINAS A VAPOR E CICLOS DE POTÊNCIA A VAPOR Conversão de energia térmica em energia mecânica A expansão do vapor aciona as pás das turbinas gerando potência de eixo Tal eixo é acoplado a um gerador que gera energia elétrica Geralmente as turbinas a vapor são utilizadas em usinas termelétricas e nucleares INTRODUÇ ÃO PRINCIPIO DE FUNCIONAME NTO Baseado no ciclo Rankine 1 Vapor é gerado a alta temperatura e pressão na caldeira 2 Vapor conduzido até a turbina onde há a expansão do fluido de trabalho e consequentemente o acionamento das pás da turbina gerando potência de eixo 3 Vapor é condensado 4 Fluido de trabalho é bombeado para a caldeira TIPOS DE TURBINA A VAPOR 01 02 03 Turbina de ação Turbina de reação Turbina de contrapressão 04 Turbina de condensação 1 2 3 e 4 USO DE SISTEMA PARA AUMENTO DA EFICIÊNCIA DO CICLO Reaquecimento secundário Ciclo com Regeneração APLICAÇÕES EM SISTEMAS TÉRMICOS DE POTÊNCIA USINA TERMELÉTRIC A USINA NUCLEAR COGERAÇÃO