01 turbinas a vapor
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Universidade Federal do Paran Curso de Engenharia Industrial Madeireira
MQUINAS TRMICAS AT-056 ATM.Sc. Alan Sulato de Andrade alansulato@ufpr.br
TURBINAS A VAPOR
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TURBINAS A VAPORHISTRICO: O primeiro motor movido a vapor que se tem registro na histria era considerado um mero brinquedo, a eolpila foi inventada no primeiro sculo por Heron de Alexandria.
Eolpila
TURBINAS A VAPORHISTRICO: Outros dispositivos s foram inventados muito tempo depois, um destes foi criado pelo italiano Giovanni Branca no ano de 1629.
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TURBINAS A VAPORHISTRICO: A turbina a vapor moderna foi inventada por Anglo Irishman em 1884, porm foi Charles A. Parsons que acoplou a turbina em dnamo visando a gerao de energia eltrica. Porm os grandes saltos de tecnologia s ocorreram aps a revoluo industrial e as guerras mundiais.
TURBINAS A VAPORDEFINIO: A turbina a vapor (TV) definida como sendo uma mquina trmica, onde a energia potencial termodinmica contida no vapor convertida em trabalho mecnico.
Turbina a Vapor
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TURBINAS A VAPORDEFINIO: Desta forma, as turbinas a vapor so mquinas de combusto externa (os gases resultantes da queima do combustvel no entram em contato com o fludo de trabalho que escoa no interior da mquina e realiza os processos de converso da energia do combustvel em potncia de eixo). Devido a isto apresentam uma flexibilidade em relao ao combustvel a ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que produzem resduos slidos (cinzas) durante a queima.
TURBINAS A VAPORFUNCIONAMENTO: A passagem do vapor gera foras, que aplicadas s ps, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor.Vapor
Rotor
Passagem do Vapor pela Turbina
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TURBINAS A VAPORFUNCIONAMENTO:Vapor Entrada
Turbina a Vapor
Trabalho
Variao de entalpia Variao de energia cintica Variao de energia potencial
Vapor Sada
TURBINAS A VAPORUTILIZAO: So usadas industrialmente principalmente para o acionamento de geradores eltricos, propulso, compressores, turbobombas, sopradores entre outras aplicaes.
Turbina
Gerador ~
Turbina
TV + gerador eltrico
TV + sistema de propulso
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TURBINAS A VAPORPARTES COMPONENTES: As principais partes componentes da turbina a vapor so: Carcaa (Com ou sem estatores), Mancais, Rotor, Palhetas.
TURBINAS A VAPORPARTES COMPONENTES:
Esquematicamente:Carcaa Estatores Rotor Mancais
Palhetas
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TURBINAS A VAPORPARTES COMPONENTES:
Esquematicamente:
Palhetas
Carcaa inferior Rotor Mancais
TURBINAS A VAPORPARTES COMPONENTES:
Esquematicamente:
Carcaas
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TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: A classificao das turbinas a vapor normalmente feita segundo: Modo de atuao do vapor, Nmero de estgios, Seqncia de fluxo, Presso do vapor utilizado, Condies de emprego, Velocidade de rotao, Movimento do rotor.
TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Modo de atuao do vapor: Ao, Reao, Ao e Reao.
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TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Modo de atuao do vapor:
TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Modo de atuao do vapor:
Ao Exemplo clssico, turbina de Laval, Curtis e Rateau
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TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Modo de atuao do vapor:
Reao Exemplo clssico, turbina de Parsons
TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Modo de atuao do vapor:Reao Ao
Ao e Reao
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TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Nmero de estgios:
Simples
Duplo
Mltiplo
TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Seqncia de fluxo:
Vrios exemplo de turbinas: Simples, Dupla, Composta, Tandem e combinaes.
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TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Presso do vapor utilizado:
Alta Presso
Baixa Presso
TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Condies de emprego:
Vrios exemplo de turbinas: Condensao, Extrao,Reaquecimento Contrapresso e suas combinaes.
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TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Velocidade de rotao:
Baixa Velocidade Unidades de acoplamento direto e exigncias especiais
Alta Velocidade Para geradores 60Hz, 50Hz, 25Hz
TURBINAS A VAPORCLASSIFICAO: Movimento do rotor:
Movimento Simples
Movimento Duplo
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TURBINAS A VAPORPROJETO DE CONSTRUO: Caractersticas do projeto da turbina de vapor: Geralmente feito sob encomenda, desta forma as turbinas de vapor podem ser projetadas afim de combinar exigncias da presso e da temperatura do projeto e maximizar a eficincia eltrica ao fornecer a sada trmica desejada.
TURBINAS A VAPORPROJETO DE CONSTRUO: Matrias empregados e formas.
Diferentes formas de paletas
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TURBINAS A VAPORPROJETO DE CONSTRUO: A forma das paletas devem ser dimensionadas adequadamente visando o mximo aproveitamento.Estator Rotor
Curtis
Parsons
TURBINAS A VAPORFALHAS NO EQUIPAMENTO: As falhas geralmente podem ser associadas:
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TURBINAS A VAPORFALHAS NO EQUIPAMENTO:
Paleta fragmentada
Corroso
TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: O ciclo Rankine descreve a operao de turbinas a vapor comumente encontrados em estaes de produo de energia. Em tais estaes, o trabalho gerado ao se vaporizar e condensar-se alternadamente um fluido de trabalho (normalmente gua, mas pode incluir outros lquidos, como amnia).
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TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: O fludo de trabalho num ciclo Rankine ideal segue um ciclo fechado, e constantemente reutilizado. O vapor que se observa em estaes de energia vm do sistema de resfriamento do condensador, e no do fludo de trabalho.
TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: Ciclo sem superaquecedor:Ponto crtico d T cEconomizador
c b a
d
Vapor Superaquecido
e
e
b a
S
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TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: Ciclo com superaquecedor:Ponto crtico e d eSuperaquecedor
c T f b a
d
Vapor Superaquecido
c b
Economizador
f
a
S
TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: Ciclo com reaquecimento:d e f c b a g h a T b e g Ponto crtico c d f h
S
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TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: Ciclo Regenerativo: nomeado desta forma devido ao fato do fludo ser reaquecido aps sair do condensador, aproveitando parte do calor contido no fludo liberado pela turbina de alta presso. Isto aumenta a temperatura mdia do fludo em circulao, o que aumenta a eficincia termodinmica do ciclo.
TURBINAS A VAPOREQUAES: As equaes podem ser obtidas facilmente partir do balano de massa e energia analisando um determinado volume de controle. Devemos utilizar todo conhecimento adquirido na Disciplina de Termodinmica para esta anlise. A equao que define a eficincia termodinmica do ciclo consiste na razo entre o trabalho lquido do sistema e o calor fornecido ao sistema.
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TURBINAS A VAPORAPLICAO PARA VOLUME DE CONTROLE
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Q2 = E2 E1 +1W2
Partindo da equao para sistema Considerando uma srie temporal
Q E2 E1 W = + t t t t
Analisando a variao de energia temporal e utilizando a definio de entalpia2 2 dE V V Qvc + m e he + e + gZ e = vc + m s hs + s + gZ s + Wvc dt 2 2
Primeira Lei da Termodinmica para volume de controle
TURBINAS A VAPOREQUAES: Quantificao da transferncia de calor (Q): Calor adicionado (Qin)=(caldeira) Calor rejeitado (Qout)=(condensador) Quantificao do trabalho (W): Trabalho realizado (Win)=bomba Trabalho produzido (Wout)=turbina Quantificao da eficincia trmica ():
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TURBINAS A VAPOREQUAES: Calor e Trabalho calculados pela Variao da entalpia do fluido de trabalho.Q W h Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema (W, J/s) Trabalho realizado ou produzido pelo sistema (W, J/s) Entalpia do fluido utilizado (J/Kg, KJ/Kg) Eficincia (%)
TURBINAS A VAPOREQUAES: Ciclo sem superaquecedor:
W(bomba)=h1-h2 Q(caldeira)=h3-h2 W(turbina)=h3-h4 Q(condensador)=h1-h4 = {[W(lquido)]/ Q(caldeira)} * 100
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TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: Ciclo com superaquecedor:
W(bomba)=h1-h2 Q(caldeira)=h3-h2 W(turbina)=h3-h4 Q(condensador)=h1-h4 = {[W(lquido)]/ Q(caldeira)} * 100
TURBINAS A VAPORCICLO TERMODINMICO: 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(lquido)]/ Q(caldeira)} * 100
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TURBINAS A VAPORCICLO RANKINE REAL (NO-IDEAL): Num ciclo Rankine real, a compresso pela bomba e a expanso na turbina no so isoentrpicos. Em outras palavras, estes processos no so reversveis, 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 VAPOREXERCCIO 1: Considere o ciclo ideal, descrevendo um processo industrial, onde uma caldeira gera 1000kg/h de vapor saturado a 170C (h=1871,6 KJ/kg). Este vapor injetado em uma turbina de condensao de baixa presso para gerao de energia eltrica por intermdio de um dnamo. Aps a passagem pela turbina o vapor apresenta h=1564,6 kcal/kg. Este vapor ento passa por um condensador (h=100,6 KJ/kg) e em seguida o fluido condensado bombeado caldeira (h=104,7 KJ/kg).
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TURBINAS A VAPOREXERCCIO 1:
TURBINAS A VAPOREXERCCIO 1: Calcule: Calor adicionado pela caldeira. Calor rejeitado pelo condensador. Trabalho efetuado pela turbina. Trabalho fornecido pela bomba. Eficincia trmica do processo.
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TURBINAS A VAPOREXERCCIO 1: Calor adicionado pela caldeira. Qa=h3-h2 Calor rejeitado pelo condensador. Qr=h1-h4
TURBINAS A VAPOREXERCCIO 1: Trabalho efetuado pela turbina. Wt=h3-h4 Trabalho fornecido pela bomba. Wb=h1-h2
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TURBINAS A VAPOREXERCCIO 1: Eficincia trmica do processo. = {[W(lquido)]/ Q(caldeira)} * 100
TURBINAS A VAPOREXERCCIO 2:Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial, onde uma caldeira gera vapor superaquecido para gerao de energia eltrica por intermdio de um gerador.h1= 160,1 KJ/kg h2= 168,3 KJ/kg h3=1819,1 KJ/kg h4=1255,6 KJ/kg
1500 kg/h
Calcular: Trabalho efetuado pela turbina em KJ/kg. Potencia da turbina em KW. Eficincia trmica do processo em %.
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TURBINAS A VAPOREXERCCIO 3:Considere um ciclo ideal, descrevendo um processo industrial, onde uma caldeira gera vapor superaquecido para gerao de energia eltrica por intermdio de um gerador.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. Eficincia trmica do processo em %.
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