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MÁQUINAS TÉRMICAS

AT-101

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

alansulato@ufpr.br

TURBINAS A VAPOR

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TURBINAS A VAPOR

HISTÓRICO:

O primeiro motor movido a vapor que se tem registro

na história era considerado um mero brinquedo, a

eolípila foi inventada no primeiro século por Heron de

Alexandria.

Eolípila

TURBINAS A VAPOR

HISTÓRICO:

Outros dispositivos só foram inventados muito tempo

depois, um destes foi criado pelo italiano Giovanni

Branca no ano de 1629.

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TURBINAS A VAPOR

HISTÓRICO:

A turbina a vapor moderna foi inventada por Anglo

Irishman em 1884, porém foi Charles A. Parsons que

acoplou a turbina em dínamo visando a geração de

energia elétrica.

Porém os grandes saltos de tecnologia só ocorreram

após a revolução industrial e as guerras mundiais.

TURBINAS A VAPOR

DEFINIÇÃO:

A turbina a vapor (TV) é definida como sendo uma

máquina térmica, onde a energia potencial

termodinâmica contida no vapor é convertida em

trabalho mecânico.

Turbina a Vapor

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TURBINAS A VAPOR

DEFINIÇÃO:

Desta forma, as turbinas a vapor são máquinas de

combustão externa (os gases resultantes da queima

do combustível não entram em contato com o fluído de

trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os

processos de conversão da energia do combustível

em potência de eixo). Devido a isto apresentam uma

flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado,

podendo usar inclusive aqueles que produzem

resíduos sólidos (cinzas) durante a queima.

TURBINAS A VAPOR

FUNCIONAMENTO:

A passagem do vapor gera forças, que aplicadas às

pás, determinam um momento motor resultante, que

faz girar o rotor.

Vapor

Rotor

Passagem do Vapor pela Turbina

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TURBINAS A VAPOR

FUNCIONAMENTO:

Turbina a Vapor

Vapor

Entrada

Vapor

Saída

Variação de entalpia

Variação de energia cinética

Variação de energia potencial

Trabalho

TURBINAS A VAPOR

UTILIZAÇÃO:

São usadas industrialmente principalmente para o

acionamento de geradores elétricos, propulsão,

compressores, turbobombas, sopradores entre outras

aplicações.

Gerador

~ Turbina Turbina

TV + gerador elétrico TV + sistema de propulsão

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TURBINAS A VAPOR

PARTES COMPONENTES:

As principais partes componentes da turbina a vapor

são:

Carcaça (Com ou sem estatores),

Mancais,

Rotor,

Palhetas.

TURBINAS A VAPOR

PARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

Mancais

Rotor

Carcaça

Palhetas

Estatores

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TURBINAS A VAPOR

PARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

Mancais

Rotor

Carcaça

inferior

Palhetas

TURBINAS A VAPOR

PARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

Carcaças

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TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

A classificação das turbinas a vapor é normalmente

feita segundo:

Modo de atuação do vapor,

Número de estágios,

Seqüência de fluxo,

Pressão do vapor utilizado,

Condições de emprego,

Velocidade de rotação,

Movimento do rotor.

TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Modo de atuação do vapor:

Ação,

Reação,

Ação e Reação.

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TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Modo de atuação do vapor:

TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Modo de atuação do vapor:

Ação

Exemplo clássico, turbina de Laval, Curtis e Rateau

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TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Modo de atuação do vapor:

Reação

Exemplo clássico, turbina de Parsons

TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Modo de atuação do vapor:

Ação e Reação

Reação Ação

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TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Número de estágios:

Simples Duplo Múltiplo

TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Seqüência de fluxo:

Vários exemplo de turbinas: Simples, Dupla,

Composta, Tandem e combinações.

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TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Pressão do vapor utilizado:

Baixa Pressão Alta Pressão

TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Condições de emprego:

Vários exemplo de turbinas: Condensação, Extração,Reaquecimento

Contrapressão e suas combinações.

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TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Velocidade de rotação:

Baixa Velocidade Alta Velocidade

Unidades de acoplamento

direto e exigências especiais Para geradores

60Hz, 50Hz, 25Hz

TURBINAS A VAPOR

CLASSIFICAÇÃO:

Movimento do rotor:

Movimento Simples Movimento Duplo

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TURBINAS A VAPOR

PROJETO DE CONSTRUÇÃO:

Características do projeto da turbina de vapor:

Geralmente feito sob encomenda, desta forma as

turbinas de vapor podem ser projetadas afim de

combinar exigências da pressão e da temperatura do

projeto e maximizar a eficiência elétrica ao fornecer a

saída térmica desejada.

TURBINAS A VAPOR

PROJETO DE CONSTRUÇÃO:

Matérias empregados e formas.

Diferentes formas de paletas

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TURBINAS A VAPOR

PROJETO DE CONSTRUÇÃO:

A forma das paletas devem ser dimensionadas

adequadamente visando o máximo aproveitamento.

Estator

Rotor

Curtis Parsons

TURBINAS A VAPOR

FALHAS NO EQUIPAMENTO:

As falhas geralmente podem ser associadas:

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TURBINAS A VAPOR

FALHAS NO EQUIPAMENTO:

Paleta fragmentada Corrosão

TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a

vapor comumente encontrados em estações de

produção de energia. Em tais estações, o trabalho é

gerado ao se vaporizar e condensar-se

alternadamente um fluido de trabalho (normalmente

água, mas pode incluir outros líquidos, como amônia).

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TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

O fluído de trabalho num ciclo Rankine ideal segue um

ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor

que se observa em estações de energia vêm do

sistema de resfriamento do condensador, e não do

fluído de trabalho.

TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

Ciclo sem superaquecedor:

T

S

a

b

c d

e Economizador

a

b

c

d

e

Ponto crítico Vapor

Superaquecido

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TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

Ciclo com superaquecedor:

T

S

a

b

c d

e

f Economizador

Superaquecedor

a

b

c

d e

f

Ponto crítico Vapor

Superaquecido

TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

Ciclo com reaquecimento:

T

S

a

b

c d

e

f

g

h

a

b

c

d e

f g

h

Ponto crítico

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TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

Ciclo Regenerativo: é nomeado desta forma devido ao

fato do fluído ser reaquecido após sair do

condensador, aproveitando parte do calor contido no

fluído liberado pela turbina de alta pressão. Isto

aumenta a temperatura média do fluído em circulação,

o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo.

TURBINAS A VAPOR

EQUAÇÕES:

As equações podem ser obtidas facilmente à partir do

balanço de massa e energia analisando um

determinado volume de controle. Devemos utilizar todo

conhecimento adquirido na Disciplina de

Termodinâmica para esta análise. A equação que

define a eficiência termodinâmica do ciclo consiste na

razão entre o trabalho líquido do sistema e o calor

fornecido ao sistema.

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TURBINAS A VAPOR

APLICAÇÃO PARA VOLUME DE CONTROLE

vcss

ss

vce

eeevc WgZ

Vhm

dt

dEgZ

VhmQ

t

W

t

E

t

E

t

Q

WEEQ

22

22

12

211221

Partindo da equação para sistema

Considerando uma série temporal

Analisando a variação de energia temporal e utilizando a definição de entalpia

Primeira Lei da Termodinâmica para volume de controle

TURBINAS A VAPOR

EQUAÇÕES:

Quantificação da transferência de calor (Q):

Calor adicionado (Qin)=(caldeira)

Calor rejeitado (Qout)=(condensador)

Quantificação do trabalho (W):

Trabalho realizado (Win)=bomba

Trabalho produzido (Wout)=turbina

Quantificação da eficiência térmica ():

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TURBINAS A VAPOR

EQUAÇÕES:

Calor e Trabalho calculados pela Variação da entalpia do fluido de trabalho.

Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema (J/Kg)

W Trabalho realizado ou produzido pelo sistema (J/Kg)

Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema (W, J/s)

W Trabalho realizado ou produzido pelo sistema (W, J/s)

h Entalpia do fluido utilizado (J/Kg, KJ/Kg)

Eficiência (%)

.

.

TURBINAS A VAPOR

EQUAÇÕES:

Ciclo sem superaquecedor:

W(bomba)=h1-h2

Q(caldeira)=h3-h2

W(turbina)=h3-h4

Q(condensador)=h1-h4

= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100

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TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

Ciclo com superaquecedor:

W(bomba)=h1-h2

Q(caldeira)=h3-h2

W(turbina)=h3-h4

Q(condensador)=h1-h4

= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100

TURBINAS A VAPOR

CICLO TERMODINÂMICO:

Ciclo com reaquecimento:

W(bomba)=h1-h2

Q(caldeira+reaquecedor)=(h3-h2)+(h5-h4)

W(turbina)=(h3-h4)+(h5-h6)

Q(condensador)=h1-h6

= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100

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TURBINAS A VAPOR

CICLO RANKINE REAL (NÃO-IDEAL):

Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e

a expansão na turbina não são isoentrópicos. Em

outras palavras, estes processos não são reversíveis,

assim a entropia aumenta durante os processos. Isto

faz com que a energia requerida pela bomba seja

maior, e que o trabalho produzido pela turbina seja

menor do que o produzido num estado de idealidade.

TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 1:

Considere o ciclo ideal, descrevendo um processo

industrial, onde uma caldeira gera 1000kg/h de vapor

saturado a 170ºC (h=1871,6 KJ/kg). Este vapor é

injetado em uma turbina de condensação de baixa

pressão para geração de energia elétrica por

intermédio de um dínamo. Após a passagem pela

turbina o vapor apresenta h=1564,6 kcal/kg. Este

vapor então passa por um condensador (h=100,6

KJ/kg) e em seguida o fluido condensado é bombeado

à caldeira (h=104,7 KJ/kg).

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TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 1:

TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 1:

Calcule:

Calor adicionado pela caldeira.

Calor rejeitado pelo condensador.

Trabalho efetuado pela turbina.

Trabalho fornecido pela bomba.

Eficiência térmica do processo.

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TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 1:

Calor adicionado pela caldeira.

Qa=h3-h2

Calor rejeitado pelo condensador.

Qr=h1-h4

TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 1:

Trabalho efetuado pela turbina.

Wt=h3-h4

Trabalho fornecido pela bomba.

Wb=h1-h2

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TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 1:

Eficiência térmica do processo.

= {[W(líquido)]/ Q(caldeira)} * 100

TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 2:

Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial,

onde uma caldeira gera vapor superaquecido para geração de

energia elétrica por intermédio de um gerador.

Calcular:

Trabalho efetuado pela turbina em KJ/kg.

Potencia da turbina em KW.

Eficiência térmica do processo em %.

m=1500 kg/h

h1= 160,1 KJ/kg

h2= 168,3 KJ/kg

h3=1819,1 KJ/kg

h4=1255,6 KJ/kg

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TURBINAS A VAPOR

EXERCÍCIO 3:

Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial,

onde uma caldeira gera vapor superaquecido para geração de

energia elétrica por intermédio de um gerador.

m=2500 kg/h h1= 60,1 KJ/kg

h2= 68,3 KJ/kg

h3=619,1 KJ/kg

h4=345,1 KJ/kg

h5=555,3 KJ/kg

h6=355,6 KJ/kg Calcular:

Trabalho efetuado pelas turbinas em KJ/kg.

Potencia da turbina KW.

Eficiência térmica do processo em %.