mÁquinas tÉrmicas at-056 - engenharia industrial madeireira · após a revolução industrial e...
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MÁQUINAS TÉRMICAS
AT-101
Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
Dr. Alan Sulato de Andrade
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 %.