Turbinas A Vapor

1. TURBINAS A VAPOR

1.1 Histórico

Definição: “Uma turbina a vapor é um motor térmico rotativo, no qual a energia térmica do vapor, medida pela entalpia, é transformada em energia cinética, devido à sua expansão através dos bocais. Esta energia então é transformada em energia mecânica de rotação devido à força do vapor agindo nas pás rotativas.”

O aparecimento da primeira turbina a vapor de aplicação está associado aos engenheiros Carl Gustaf de Laval (1845-1913), da Suécia, e Charles Parsons (1854-1931), da Grã-Bretanha. Embora existam muitos outros engenheiros e cientistas, cujos nomes estão intimamente associados com o progresso das turbinas a vapor, coube ao americano George Westinghouse (1846-1914), quem adquiriu os direitos americanos sobre as turbinas Parsons em 1895. O mérito de desenvolver e implementar a primeira turbina a vapor comercial de 400 kW de capacidade, acionando um gerador elétrico. Desde o início da utilização, as turbinas a vapor para geração de energia elétrica aumentaram significantemente suas capacidades e eficiências, tornando-se mais complexas e sofisticadas.

1.2 Classificação das Turbinas a Vapor

Quanto ao tipo de acionamento:

 Para acionamento elétrico: utilizadas para acionar um gerador elétrico. Como geradores operam em velocidades síncronas (1800 ou 3600 rpm, por exemplo para freqüências de 60 Hz), o acionamento pode ser direto ou por meio de redutores (mais comum). Esse tipo de turbina tem características de potências mais elevadas.

 Para acionamento mecânico: utilizadas para acionamentos de ventiladores, bombas, compressores, moendas, picadores, niveladores, desfibradores, propulsão de navios e outros grandes equipamentos de rotação. Podem ter transmissão direta ou por meio de redutores. Geralmente as potências requeridas por esse equipamentos são bem inferiores às potências de geradores elétricos.

Quanto ao tipo de fluxo:

 Fluxo Direto: todo vapor admitido na máquina atravessa todos os estágios num único sentido e sem retirada intermediária (fig. 1-a).

 Fluxo em Contracorrente: o vapor é admitido na parte central e se divide percorrendo trajetórias de sentido opostos. Nesse caso, há dois bocais de escape de vapor (fig. 1-b).

 Extração: parte do vapor admitido é retirado de um estágio intermediário da máquina. Esse vapor de extração pode ser utilizado para aquecimento em processo industrial ou em turbinas de pequena potência. Mais raramente, pode haver retirada de vapor de dois ou três estágios intermediários (fig. 1-c).

 Indução: recebe vapor em dois patamares de pressão, injetados em locais diferentes, ou seja, além da admissão normal para os injetores da roda de regulagem, há outra admissão de vapor, com menor pressão, injetado num estágio intermediário (fig. 1-d).

 Indução-Extração: tanto ocorre injeção como retirada de vapor de um estágio intermediário (fig. 1-e).

 Reaquecimento: todo vapor admitido na máquina se expande até um estágio intermediário, de onde é retirado, para ser reaquecido numa caldeira e reinjetado no estágio seguinte da turbina e prosseguir se expandindo até o escape (fig. 1-f).

(A) (B) (C)

(D) (E) (F)

Figura 3.1 - Tipos de fluxo em turbinas

Quanto ao tipo de descarga:

 Turbina de Contrapressão

O termo contrapressão indica que o vapor na saída da turbina está a uma pressão igual ou superior à atmosférica, condição necessária para atender a demandas de calor em níveis de temperatura superiores a 100ºC. Fisicamente são menores do que uma unidade de condensação equivalente e operam com maior velocidade de rotação devido às considerações de eficiência. Nas indústrias são usadas onde há necessidade de vapor para processos, cujo vapor será garantido com o vapor de exaustão da turbina, o qual usualmente opera com pressão constante.

 Turbina de Condensação

O vapor de escape vai diretamente para um condensador a uma pressão menor que a atmosférica (vácuo). Sua eficiência térmica do ciclo é maior devido ao aumento máximo da queda de entalpia. Fisicamente são maiores e mais potentes comparadas às turbinas de contrapressão. No entanto o rendimento total é inferior ao de uma instalação de contrapressão, uma vez que parte da energia contida no vapor se perde através da água de refrigeração necessária para condensação.

TURBINA CONTRAPRESSÃO TURBINA CONDENSAÇÃO

Figura 3.2

 Turbinas de Contrapressão ou de Condensação com Extração

Tanto nas turbinas de contrapressão quanto nas turbinas de condensação quando o processo exige níveis de vapor diferentes de pressão, são utilizadas tomadas (sangrias) ou extração controlada, as quais fornecem parte do fluxo de vapor em média e/ou baixa pressão. São usadas tomadas quando o volume de vapor de extração é bem menor que o volume de escape da turbina, ou seja, em torno de 20% (vinte por cento) da vazão de vapor na entrada. As tomadas usualmente não são controladas e operam quando a vazão de vapor na entrada é maior que 80% (oitenta por cento) da vazão nominal de vapor de entrada. Já a extração controlada é utilizada quando o vapor de fluxo é relativamente alto comparado com o fluxo de vapor para o escape. A pressão do vapor permanece constante para qualquer carga da turbina. Em turbinas de condensação o uso de tomadas é usual para se fazer reaquecimento do condensado.

TURBINA COM EXTRAÇÃO DE CONTRAPRESSÃO TURBINA DE CONDENSAÇÃO

COM EXTRAÇÃO

Figura 3.3

Quanto ao princípio de funcionamento:

 De ação (impulso) – neste tipo o seu funcionamento é devido, unicamente,