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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.

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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

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Caldeira e Inspeção

Caldeira é um recipiente cuja função é, entre muitas, a produção de vapor através do aquecimento da água. As caldeiras produzem vapor para alimentar máquinas térmicas, autoclaves para esterilização de materiais diversos, cozimento de alimentos e de outros produtos orgânicos, calefação ambiental e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor. A caldeira a vapor tal como conhecemos hoje é a evolução dos protótipos surgidos durante a primeira Revolução Industrial, no século XVIII. Elas foram feitas para diminuir os inconvenientes causados pela queima do carvão.

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Autor: JOÃO BATISTA DOS ANJOS

CURSO OPERADOR DE USINA TERMELÉTRICA DE CICLO COMBINADO

SOMÁTICA EDUCAR

Introdução

Caldeira é um recipiente cuja função é, entre muitas, a produção de vapor através do aquecimento da água. As caldeiras produzem vapor para alimentar máquinas térmicas, autoclaves para esterilização de materiais diversos, cozimento de alimentos e de outros produtos orgânicos, calefação ambiental e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor. A caldeira a vapor tal como conhecemos hoje é a evolução dos protótipos surgidos durante a primeira Revolução Industrial, no século XVIII. Elas foram feitas para diminuir os inconvenientes causados pela queima do carvão.

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Tipos de caldeiras

  • Caldeira flamotubular. …
  • Caldeira aquatubular. …
  • Caldeira mista. …
  • Caldeira horizontal e caldeira vertical. …
  • Caldeira Lancashire. …
  • Caldeira cornuália. …
  • Caldeira multitubular. …
  • Caldeira locomotiva.

Dentre as citadas a de maior eficiência estão as aquatubulares.

De um modo geral, as caldeiras aquatubulares consistem numa fornalha que é trespassada por uma rede de tubos, onde a água é aquecida até evaporar. Adotando uma análise mais detalhada, é preciso ter em conta os tambores que compõem estas unidades. Estes são recipientes utilizados para o armazenamento de água e vapor, uma caldeira com configuração “horizontal de tubos retos” (horizontal straight tube), composta por apenas um tambor e um sistema de tubos. Os tubos encontram-se na zona inferior do equipamento, e atravessam a zona da fornalha em contra -corrente com os gases de combustão. Este escoamento assegura que o aquecimento se dá inicialmente numa zona mais “fria”, sendo a água exposta a temperaturas cada vez mais elevadas ao longo do seu trajeto. Os tubos encontram-se dispostos segundo uma inclinação, que varia entre 5º a 15º e a ascensão do fluido é provocada pela diminuição contínua da densidade da água. À saída da rede de tubos, a água é levada para um tambor na zona superior da caldeira, onde a água coexiste em ambos os estados: gasoso e líquido. O vapor é separado naturalmente da água e sai no topo do tambor. A alimentação da água dá-se na zona inferior do tambor, onde, por diferença de densidades, já se encontra a água com temperatura mais baixa. A água “fria” entra novamente no sistema de tubos no interior da fornalha, dando início a um novo ciclo.

Levando em conta esse tipo (aguatubular) temos no mercado caldeiras de alta performance para queima de bagaço de cana a 55% de umidade, foi projetada para gerar vapor para o processo de usinas e tem as caraterísticas básicas descritas a seguir.

A fornalha da caldeira é constituída de paredes tubulares aletadas, constituindo uma parede resfriada e estruturalmente integrada. O sistema de tiragem de gases da fornalha é do tipo balanceada, através de ventiladores de tiragem induzidas (IDFs), apropriada para a queima de BIOMASSA, que compreende todas as matérias orgânicas utilizadas como fonte de energia, no caso bagado de cana.

As caldeiras são providas de estruturas metálicas de sustentação por base com dilatação para cima ou suspensa pelo topo, dilatando-se para baixo.

A circulação da água e natural através da diferença de densidade entre a água que recebe o calor dos gases e a parte que não recebe o calor.

O vapor na saída da caldeira é superaquecido e a sua temperatura é controlada através de dessuperaquecedores, o qual injeta água condensada do vapor do tubulão, portanto de alta pureza. Essa caldeira esta provida de recuperadores de calor, a saber: Pré-aquecedor de ar de alta temperatura (pré ar). Pré ar de baixa temperatura (pré-ar) e economizador, para possibilitar alta eficiência térmica.

No circuito de gases de exaustão estão instalados os lavadores de gases, após o economizador e antes dos ventiladores IDF, cuja a finalizada principal é reter os particulados que seriam eliminados pela chaminé e, ao eliminar esses particulados, faz a proteção das pás dos ventiladores.

Para Ler o Artigo Completo

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