Introdução
A aplicação do vapor como força motriz só se tornou realidade a partir dos trabalhos de Thomas Savery em 1698. Estes trabalhos resultaram no motor alternativo a vapor que originou a revolução industrial.
O desenvolvimento da turbina a vapor demorou mas, uma vez iniciado, foi rápido.
Entre o final do século XVIII e o século XIX, diversos pesquisadores trabalharam em paralelo e mais de 100 patentes foram registradas entre 1880 e 1883.
As primeiras turbinas a vapor foram construídas por Carl Gustav de Laval, do tipo impulso, e Charles Parsons, do tipo reação.
Atualmente, a geração de energia elétrica a partir do vapor baseia-se, conforme mostra a abaixo, nos seguintes equipamentos:
- Queimador;
- Caldeira;
- Turbina;
- Gerador
- Condensador;
- Trocador de Calor
- Bomba.
O coração deste sistema, extremamente complexo, é o ciclo formado pela água e vapor.
Este ciclo é estudo pela termodinâmica a aprtir do ciclo teórico - ciclo Rankine.
Ciclo de Rankine
O ciclo Rankine é o ciclo termodinâmico que mais representa o processo de geração de energia a partir do vapor d´agua.
Contudo, outros fluidos também podem ser utilizados em aplicações especiais, como na geração geotérmica.
Ele se baseia em quatro processos termodinâmicos:
- Bombeamento adiabático na bomba - 1 a 2;
- Transformação da água em vapor a pressão constante na caldeira - 2 a 3;
- Expansão adiabática na turbina - 3 a 4;
- Condensação do vapor a pressão constante no condensador - 4 a 1.
É importante observar que os pontos 1 e 2 são idênticos no diagrama T x S porque o bombeamento adiabático não produz variação de temperatura nem variação de entropia.
Durante a tranferência de calor para a água na caldeira, a temperatura se eleva até o ponto 2´, onde o processo de evaporação se inicia.
A partir deste ponto, a temperatura da mistura água/vapor permanece constante até que todo o líquido tenha se transformado em vapor.
O rendimento térmico do ciclo Rankine é dado por:
Onde:
- wliq é o trabalho líquido executado;
- qH é o calor fornecido ao sistema;
- qL é o calor retirado do sistema;
- wt é o trabalho realizado pela turbina;
- wb é o trabalho realizado pela bomba.
Considerando que:
Onde:
- hi é a entalpia no estado i.
O rendimento térmico do ciclo Rankine será dado por:
No ciclo Rankine ideal, a temperatura média de rejeição de calor é constante e igual à temperatura de condensação.
No entanto, a temperatura média de fornecimento de calor é inferior à temperatura de vaporização por causa da variação de temperatura entre os pontos 1 e 2.
Isto significa que o rendimento do ciclo Rankine ideal é inferior ao rendimento térmico do ciclo de Carnot operando com temperatura máxima igual a temperatura de vaporização e mínima igual à temperatura de condensação.
A grande questão é:
O que fazer para aumentar a eficiência do ciclo Rankine?
Basicamente, existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine:
Estas três opções possuem limitações fundamentais.
Primeiramente, a redução da pressão do vapor na saída da turbina provoca condensação do vapor. Esta água condensada forma gotículas que destroem as palhetas da turbina.
Por isso, o título do vapor na saída da turbina não deve ser inferior a 0,85.
Por outro lado, o aumento da pressão na caldeira também aumenta a temperatura e, consequentemente, os esforços termo-mecânicos no equipamento aumentam. Portanto, esta solução está limitada à tecnologia dos materiais existentes.
Finalmente, existe a solução de superaquecer o vapor. Mais uma vez, esta solução está limitada pela tecnologia de materiais disponível no mercado.
Na prática, utilizam-se dois sistemas básicos:
Caldeiras
As caldeiras permitem queimar praticamente qualquer tipo de combustível sólido, líquido ou gasoso.
A caldeira pode ser vista como um sistema, conforme mostra a figura abaixo:
As grandezas de entrada deste sistema são:
- a água;
- o ar;
- e o combustível.
Por sua vez, as grandezas de saída são:
- o vapor;
- os gases resultantes da combustão.