steam turb

Referências


Este link apresenta aula histórica de Parsons sobre o seu desenvolvimento da turbina a vapor.

The Steam Turbine by Sir Charles A. Parsons

Vapor


O estado do vapor de água é definido por quaisquer duas das sete propriedades termodinâmicas:

  • temperatura;
  • pressão;
  • volume específico;
  • energia interna;
  • entalpia;
  • entropia;
  • título.

O vapor de água tem sido extremamente estudado e suas propriedades foram documentadas pela IAPWS.

Os dados atualmente válidos podem ser vistos nos seguintes documentos:

O programa CATT2  também fornece os dados de vapor.

No estudo da geração a vapor utilizam-se normalmente os seguintes diagramas termodinâmicos:

O programa Refprop pode ser obtido gratuitamente atrave´s do link e será utilizado neste curso.

Ciclo de Carnot


A segunda lei da termodinâmica estabelece o conceito de rendimento térmico.

É teoricamente impossível construir uma máquina térmica que transforme todo o calor recebido de uma fonte quente em trabalho ou que transfira calor de uma fonte mais fria para uma fonte mais quente sem consumir trabalho.

Então, a grande questão passa a ser:

  • Qual a maior eficiência teórica possível de ser obtida?

O físico e engenheiro militar francês Nicolas Leonard Carnot (1796-1832) resolveu esta questão em 1824.

Exemplos


Exercícios


 

Fotos


Usina Schwarze Pumpe

Schwarze Pumpe
Location:  Bradenburg & Mecklenburg - Alemanha
Operador: Vattenfall Europe AG
Configuração: 2 X 800 MW
Operação: 1997-1998
Combustível: linhito
Fabricante da Caldeira: EVT
Fabricante das Turbinas e Geradores: Siemens

Usina Porto do Itaqui

Localização: Maranhão
Operador: MPX Energia SA
Configuração: 1 X 365 MW
Operação: 2011
Combustível:Carvão
Fabricante Caldeirar: Doosan-Babcock.
Fabricante Turbina/Gerador: Siemens.
EPC: Mabe Construção e Administração de Projetos Ltda, Cesbe.

Fonte: www.industcards.com

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

vapor

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:

eq rend rankine

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:

eq rankine 2

eq Rankine 3

Onde:

  • hi é a entalpia no estado i.

O rendimento térmico do ciclo Rankine será dado por:

eq rankine 4

 

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.