Turbina a vapor

Turbina a Vapor
Autor(es): Camila Fernanda Ferreira Marmontel; Joyce Mara Gimenes Gandara Silva; Lisandra Leão de Oliveira; Marcelo César Polioni
Atividades Práticas Supervisionadas ? APS
Curso de Engenharia de Produção- Mecânica
Orientador(a):Prof. Dra. Liliane de Souza Magalhães

RESUMO

O devido trabalho apresenta o ciclo de uma turbina a vapor. Será mostrado as aplicações do funcionamento termodinâmico da mesma na indústria e também as vantagens e desvantagens. Como matéria prima utiliza-se a biomassa, que é uma fonte renovável. Sendo assim, contribuindo com a sustentabilidade e viabilizando o processo econômico através da sua produção interna de energia. Através de estudos, visamos à melhoria de tais processos utilizando turbinas com reguladores de pressões, com isso reduzindo os problemas e as manutenções. Para o funcionamento de nosso trabalho, utilizaremos o ciclo de Rankine, que é o mais usado para fluidos térmicos a vapor.
Portanto, concluímos que a turbina a vapor, é uma máquina que coopera com o meio ambiente, trás muitos benefícios para a melhoria do processo, visando à produção com eficiência e economia

INTRODUÇÃO
Para o nosso projeto elegemos como sistema uma turbina a vapor (entrada de vapor direto até a saída de trabalho (W) no eixo).
A turbina a vapor é uma máquina térmica que utiliza energia do vapor como forma de energia cinética, transformando em energia mecânica a energia contida no vapor a alta pressão, sob a forma de energia térmica. Esta energia mecânica é transferida através do eixo da turbina para o gerador elétrico, a geração de energia elétrica pode ser feita a partir de centrais termoelétricas. (Artigo retirado de publicação realizada pela Universidade Federal da Bahia).
O vapor produzido na caldeira através da queima da biomassa é encaminhado para a turbina, com uma pressão de 45 kgf/cm² e temperatura 450°C. O vapor processado na turbina gera trabalho no eixo desta, que por sua vez converte-se em energia elétrica através do gerador. O vapor de baixa e média pressão é reutilizado para às linhas do processo industrial, esse vapor sai da turbina pelo escape e sua pressão e temperatura é inferior ao de entrada e é utilizado em forma de energia térmica e mecânica. Existem ainda as válvulas redutoras que são equipamentos instalados na linha do vapor de admissão com a finalidade de reduzir a pressão para atender as especificações de gerador elétrico.

Do ponto de vista social e sustentável:
A geração de energia elétrica proveniente de fontes renováveis, no caso da queima de biomassa, contribui para a preservação do meio ambiente de uma maneira sustentável. Sem dúvida, fontes renováveis são uma das formas de amenizar os impactos ambientais. Segundo o Greenpeace, 77% da energia mundial poderá ser suprida por fontes de energia renováveis até 2050, incluindo hidrelétricas, energia eólica, solar e biomassa.
Fonte: Greenpeace/comissão Européia de energia renovável.

Do ponto de vista econômico:
É possível viabilizar energia sem a necessidade de adquirir a fonte energética de outras empresas, e ainda aumentando o índice de empregabilidade. As turbinas a vapor (geradores elétricos) geram 80% de toda a energia mundial. Esta energia renovável, juntamente com a eficiência energética, pode gerar U$D 360 bilhões anuais.
Fonte: Greenpeace/comissão Européia de energia renovável.

Do ponto de vista cientifico:
Existem diversas pesquisar e artigos de engenharia visando a melhoria e otimização dos processos envolvendo turbinas a vapor. Os problemas com turbinas são agora raros e as exigências de manutenção são relativamente pequenas. Estudos mostram que o controle de uma turbina com um regulador é essencial, porque as turbinas necessitam ser funcionadas numa velocidade adequada para atingir a produção de energia conforme necessidade da indústria, e com isso mantém o equilíbrio de trabalho axial e radial da máquina (turbina).
De acordo com a empresa Vibrocert que realiza estudos referentes a balanceamento, alinhamento e análise de vibrações.
Para o complemento do projeto, visitamos a empresa Lwarcel celulose, visando compreender os princípios de funcionamento de uma turbina e suas aplicações. Esta empresa produz celulose, e possui uma caldeira termoelétrica para gerar vapor e energia elétrica.

OBJETIVO

Explicar o funcionamento termodinâmico do ciclo de uma turbina a vapor e apresentar suas aplicações na indústria. Será desenvolvido e relacionado à teoria aprendida em sala onde definiremos o sistema com suas vizinhanças e suas interfaces do processo termodinâmico.
Pretendemos demonstrar de forma clara e objetiva os conceitos relacionados com a prática, para contribuir com a otimização do processo e servir como auxilio a pesquisas sobre o tema.
Temos como meta neste trabalho aumentar nosso conhecimento e compartilhar estudos sobre turbina a vapor.

REVISÃO DE LITERATURA
A primeira turbina a vapor foi construída em 1883 pelo engenheiro sueco Carl Gustav de Laval.
Utiliza-se esta turbina sobretudo para gerar eletricidade ao queimar carvão pois com o auxílio do calor libertado na combustão do carvão, evapora-se água e o seu vapor impulsiona as turbinas que fazem girar os geradores elétricos.
A turbina a vapor é uma máquina exotérmica de circuito fechado na qual o vapor de água produzido numa caldeira é lançado a grande pressão e velocidade sobre umas rodas de pás ou aletas, fixas e móveis, onde se expande e finalmente se condensa antes de ser reintroduzido na caldeira.
Os escalões ou andares através dos quais se expande o vapor podem ser de ação, onde a pressão à entrada e à saída das pás é constante, ou de reação, onde a pressão à saída é inferior à da entrada. Normalmente combinam-se um ou mais escalões de ação e diversos de reação.
Existem vários métodos de funcionamento de turbinas a vapor. Na turbina Curtis, a pressão do vapor que sai da caldeira transforma-se completamente em velocidade, isto devido a uma forma especial que as pás possuem, nas quais o vapor perde em cada uma das turbinas só uma parte da velocidade. Diz-se que existe um escalonamento de velocidade.
Na turbina de pressão constante ou turbina de ação, ao contrário da turbina curtis, o vapor que sai da caldeira perde apenas uma parte da sua pressão e conseqüentemente a velocidade que atinge é menor.

Site retirado http://www.infopedia.pt/$turbina-a-vapor

Vantagens da turbina a vapor
Utilização de vapor a alta pressão e alta temperatura.
? Alta eficiência
? Alta velocidade de rotação.
? Alta relação potência /tamanho
? Operação suave, quase sem vibração.
? Não há necessidade de lubrificação interna.
? Vapor na saída sem óleo
? Pode ser construído com diferentes potências: unidades pequenas (1MW) ou muito grandes (1200MW).

Desvantagens

? É necessário um sistema de engrenagens para baixas rotações.
? A turbina a vapor não pode ser feita reversível.
? A eficiência de turbinas a vapor simples pequenas é pobre.

Definições da Termodinâmica

"Termodinâmica é a ciência que lida com Calor e Trabalho e suas inter-relações"

Callen: "Termodinâmica é o estudo dos resultados macroscópicos de miríades de coordenadas atômicas que, em virtude de médias estatísticas, não aparecem explicitamente na descrição macroscópica do sistema"

Kestin: "A ciência da Termodinâmica é um ramo da Física. Ela descreve os processos naturais nos quais as mudanças de temperatura desempenham um papel importante. Tais processos envolvem a transformação de uma forma de energia em outra. Conseqüentemente, a Termodinâmica lida com as leis que governam tais transformações de energia"

Observações de A. Einstein sobre a Termodinâmica Clássica: "Uma teoria é tanto mais impressionante quanto maior for a implicidade das suas premissas, quanto maior o número de coisas que ela relaciona e quanto maior for a amplitude da sua área de aplicação. Portanto, esta é a profunda impressão que a Termodinâmica Clássica realizou em mim. É a única teoria física de conteúdo universal que, assim estou convencido, nunca será derrubada dentro da área de aplicação dos seus conceitos básicos".
(Artigo publicado Escola Politécnica da Universidade de São Paulo).

Ciclos termodinâmicos
Nos ciclos termodinâmicos um dos mais empregados é o de Rankine (usa como fluido térmico o vapor).
Na análise deste ciclo é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média, na qual o calor é fornecido, e da temperatura média, na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo de Rankine.
Deve se ressaltar que, na análise de muitos ciclos ideais as variações de energia cinética e potencial de um ponto do ciclo ao outro, são desprezados, isso é uma hipótese razoável para os ciclos reais.

(Informação retirada do livro:Fundamentos da termodinâmica?( Van Wylen).

O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente encontrada 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, com a amônia).
O fluido de trabalho num ciclo Rankine segue um ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se observa saindo de centrais de produção de energia vem do sistema de resfriamento do condensador, e não do fluido de trabalho.

Ciclo Rankine

Basicamente, existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine: redução da pressão na saída da turbina, aumento da pressão na caldeira, superaquecimento do vapor.

Fonte: http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/gera_vapor.php

A geração térmica caracteriza-se, entre outras, pelo baixo rendimento termodinâmico de conversão do potencial existente no combustível em energia final e, como em vários outros processos, as perdas constituem-se em calor residual.
Para minorar essa situação, tem-se empregado nos últimos anos processos de co-geração, isto é, de geração e aproveitamento simultâneo (o máximo possível) de calor e força. Os sistemas de co-geração são separados em dois grupos, conforme a seqüência em que a energia é utilizada, havendo um rateio do desperdício e um efeito sinérgico entre a geração de potência (elétrica / mecânica) e a térmica.

Processo: Turbina a vapor
Benefícios: Potência de eixo p/ geração de eletricidade, compressão, etc.
Perdas: Vapor de baixa pressão

(Artigo publicado pela Faculdade Federal de Santa Catarina)

MATERIAL E MÉTODOS
Para o nosso projeto elegemos como o sistema a entrada de vapor direto (válvula de admissão) até a saída de trabalho (W) no eixo da turbina.

Diagrama de uma turbina a vapor

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] 1ª Lei da Termodinâmica e Ciclo de Rankine: Disponível no livro: Fundamentos da termodinâmica ? (Van Wylen)

[2] Geração de vapor. Disponível em: http://antonioguilherme.web.br.com/Arquivos/gera_vapor.php. Acessado em: 28/10/2010

[3] Turbina a vapor. Disponível em: http://www.infopedia.pt/$turbina-a-vapor. Acessado em: 01/11/2010

[4] Energia renovável: Disponível em:: Greenpeace/comissão Européia de energia renovável. Acessado em: 01/11/2010