Máquinas Hidráulicas: Aula 15 - Turbinas a Vapor em Usinas Termoelétricas, Notas de aula de Engenharia Mecânica

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MÁQUINAS

HIDRÁULICAS

AULA 15 – TURBINAS A VAPOR

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 pode-

se 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.

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.

Planta de Geração de Energia

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.

Turbinas a vapor

◦ 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.

Turbinas a vapor

◦ 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.

Turbinas a vapor

◦ 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.

Turbinas a vapor

◦ 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.

Turbinas a vapor

◦ 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.

Turbinas a vapor

◦ 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

Turbinas a vapor

◦ 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.

Termoelétrica em ciclo combinado