Ciclo de Brayton

O Ciclo de Brayton é ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante, utilizado no estudo das turbinas a gás. Ele é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos

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Autor: Ronaldo Francisco Prates
Curso Operador de Usina Termelétrica de Ciclo Combinado

Ciclo de Brayton é ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante, utilizado no estudo das turbinas a gás. Ele é um ciclo ideal, uma aproximação dos processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás, descrevendo variações de estado (pressão e temperatura) dos gases. O conceito é utilizado como base didática e para análise dos ciclos

reais, que se desviam do modelo ideal, devido às limitações tecnológicas e fenômenos de irreversibilidade, como o atrito.

O ciclo se constitui de quatro etapas, como demonstrado em Esquema básico de Brayton.

O ciclo do motor é nomeado após George Brayton (1830-1892), coordenador americano que o desenvolveu originalmente para o uso nos motores de pistão, embora fosse proposto e patenteado originalmente por John Barber, inglês em 1791. Também é conhecido como o ciclo de Joule. O ciclo de Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso de um regenerador. Há dois tipos de ciclos de Brayton, abertos à atmosfera e usando a câmara de combustão interna ou fechado e usando trocador de calor.

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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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