Turbina a vapor é uma máquina térmica rotativa onde a energia térmica proveniente do vapor, medida pela entalpia, é convertida em energia cinética em virtude de sua expansão. A energia é então convertida em energia mecânica de rotação por meio da força que o vapor exerce nas pás rotativas.
Autor: Caio Ferreira da Silva Ramos
Curso Operador de Usina Termelétrica de Ciclo Combinado
Rio Brilhante – MS
O que é uma turbina a vapor.
Turbina a vapor é uma máquina térmica rotativa onde a energia térmica proveniente do vapor, medida pela entalpia, é convertida em energia cinética em virtude de sua expansão. A energia é então convertida em energia mecânica de rotação por meio da força que o vapor exerce nas pás rotativas.
Breve história da criação e evolução da Turbina a vapor
O primeiro motor a vapor foi criado no século I , no Egito romano por Heron de Alexandria , chamada de Eolípila. Outro ancestral da turbina a vapor foi criada pelo Italiano Giovanni branca em 1629.
A primeira turbina de aplicação é a associada, primeiramente, aos engenheiros Carl Gustaf Laval da Suécia e Charles Algernon Parsons da Grã- Bretanha.
Em 1884 Charles Algernon Parsons criou a primeira turbina a vapor que foi usada para gerar energia elétrica, a mesma era acoplada a um dínamo que gerava uma potência elétrica de 7,5 kw de eletricidade. A invenção da turbina Parsons possibilitou a geração de eletricidade barata e abundante, revolucionou o transporte marítimo e a guerra naval. Logo após o estadunidense George Westinghouse obteve uma licença e projetou uma turbina maior similar. Posteriormente, outras variantes de design foram desenvolvidas para tornar a turbina a vapor mais acessível.
Uma inovação importante foi dada pela turbina de Laval, inventada por Gustaf de Laval e baseada em tubeiras que aceleram o vapor (a velocidades supersônicas) antes que ele entre na seção de lâminas. Essa aceleração ocorre com base no princípio de Bernoulli, que afirma que a velocidade de um fluido pode ser aumentada à custa de sua pressão. Isto levou a uma solução de projeto simples e barata que, comparada às turbinas anteriores, permitiu uma maior exploração da energia do vapor, aumentando sua eficiência e potência. Até mesmo a turbina Parsons provou ser fácil de redesenhar em maior escala. Durante a vida de Parsons, a potência de uma unidade foi aumentada em 10 000 vezes.
Ainda que existam vários outros engenheiros e cientistas que tenham seus nomes intimamente ligados ao desenvolvimento das turbinas a vapor, coube a George Westinghouse, que comprou os direitos sobre a turbina Parsons em 1895, o mérito de projetar e colocar em prática a primeira turbina a vapor comercial com 400 kW de capacidade, que acionava um gerador elétrico. Outro pesquisador que vale se destacado é Aurel Stodola, da Eslováquia que na prática estipulou os fundamentos teóricos das turbomáquinas e seu controle automático. a necessidade cada vez maior de economia de escala dos equipamentos e ao mesmo tempo em que se espera uma maior eficiência energética fizeram com que os projetistas aumentassem a temperatura e a pressão de operação, somado ao aumento da potência das turbinas. Nos dias atuais, a capacidade por unidade média instalada é de aproximadamente 600 MW, já na década de 1920 estas potências não ultrapassavam 30 MW.
Tipos de turbinas a vapor mais utilizadas em usinas Termoelétrica.
Turbina de contrapressão de fluxo direto: O termo contrapressão é utilizado para indicar que o vapor que saí da turbina possui uma pressão maior ou igual, a ambiente, esta condição é necessária para suprir a demanda de calor quando se tem temperaturas superiores a 100 °C, sendo reutilizado para processos indústrias.
Turbina de contrapressão com sangria ou extração controlada: As turbinas com sangria ou extração controlada são usadas quando se necessita de vapor em diferentes faixas de pressão. Este tipo de turbina fornece uma fração do vapor com média pressão e outra fração em baixa pressão. Geralmente, se faz o uso de turbinas com sangria quando o volume de vapor de extração (de media pressão) é inferior ao volume de escape (de baixa pressão). Já as turbinas com extrações controladas são usadas em ocasiões onde o fluxo de vapor de extração (de media pressão) é maior quando se compara com o fluxo de vapor de escape (de baixa pressão) e também quando a demanda de vapor de média pressão é passível de flutuações relevantes.
Turbinas de condensação de fluxo direto: Turbina de condensação de fluxo direto fornece vapor para o condensador com uma pressão mais baixa do que a pressão atmosférica, com o objetivo de amplificar a eficiência térmica do ciclo por meio de um acréscimo máximo da queda de entalpia. Este tipo de turbina tende a possuir dimensões maiores, assim como uma potência maior do que as turbinas de contrapressão. No entanto, o rendimento total é menor do que o de uma instalação de contrapressão, uma vez que uma fração da energia presente no vapor é perdida por meio da água de refrigeração que é utilizada no processo de condensação.
Turbina de condensação com extração: Turbina de condensação com extração são, normalmente, utilizadas quando existe a necessidade de uma quantidade maior de energia elétrica do que se consegue autogerar com o calor gerado pelo processo. O vapor excedente sofre ama expansão até chegar à condição de vácuo, provocando um salto térmico maior. Mesmo que as turbinas de contrapressão sejam mais eficientes, em diversas situações as turbinas de condensação com extração se mostram mais vantajosas, entre essas situações pode-se citar: compensação das oscilações de consumo de energia elétrica e vapor que são originados no processo; impede-se que o limite de potência contratado seja ultrapassado; possibilita que o condensador absorva o excesso de vapor, quando ocorre a paralisação parcial do processo. Turbinas a vapor com extração automática ou extrações reguláveis são arquitetadas para possibilitar a retirada de uma quantidade variável de vapor mantendo uma pressão constante, em um ou mais pontos de extração. Já nas turbinas de extração não regulável não existe o controle da pressão do vapor extraído, sendo assim, o vapor sofre variação em função da carga.
Turbina de condensação com reaquecimento: O fluxo total de vapor é admitido no estágio de alta pressão. Nesse estágio o vapor sofre um processo de expansão e então retorna a caldeira para ser reaquecido. Em seguida o vapor é transferido para o estágio de pressão intermediária a partir de onde se expande entre os últimos estágios até o escape. Algumas turbinas possuem também o reaquecimento duplo.
Referência Bibliográfica
Apostila disponibilizada pelo Curso Operador de central termoelétrica de ciclos combinado
https://pt.m.wikipedia.org/wiki/Turbina_a_vapor
