Turbina a vapor

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Turbina a vapor Curtis (1905).

Turbina a vapor é a máquina térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cinética, que transformar em energia mecânica a energia contida no vapor vivo sob a forma de energia térmica e de pressão, sendo um equipamento com boa eficiência quando utilizado em condições de projeto. Essa energia mecânica pode ser utilizada para mover equipamentos e quando acoplado um gerador à turbina a vapor, se obtêm a transformação da energia mecânica em energia elétrica.

A turbina a vapor moderna foi inventada em 1884 por Sr Charles Parsons, cujo primeiro modelo foi conectado a um dínamo que gerava 7,5 kW (10 hp) de eletricidade.[1] A invenção da turbina a vapor de Parsons possibilitou uma eletricidade barata e abundante e revolucionou o transporte marítmo e a guerra naval.

História[editar | editar código-fonte]

O matemático e físico grego Hero, que viveu em Alexandria, Egito, descreveu em 120 a.C o primeiro dispositivo que pode ser classificada como uma turbina a vapor de reação; a clássica Eolípila.[2] [3] [4] A máquina consistia em uma esfera metálica, pequena e oca montada sobre um suporte de cano proveniente de uma caldeira de vapor. Dois canos em forma de L eram fixados na esfera. Quando o vapor escapava por esses canos em forma de L a esfera adquiria movimento de rotação. Este motor, entretanto, não realizava nenhum trabalho útil. Centenas de anos depois, no séc. XVII, as primeiras máquinas a vapor bem-sucedidas foram desenvolvidas.

Turbina a vapor moderna[editar | editar código-fonte]

O primeiro inventor da turbina a vapor moderna foi o suéco De Laval (1845-1913), que criou como sub-produto de seu desnatador centrífugo, impulsionado pela necessidade de encontrar um ancinamento de grande velocidade para o mesmo, a turbina a vapor de ação de um só estágio. Desenvolveu um bocal (Tobera) convergente-divergente com velocidade supersônica de saída de vapor e oe ixo flexível cuja velocidade crítica chegava por debaixo da velocidade de giro da turbina,30.000 rpm.[5]

O segundo inventor foi o inglês Sr Charles Parsons, (1854-1931), cujo primeiro modelo foi conectado a um dínamo que gerava 7,5 kW (10 hp) de eletricidade. O projeto de Parsons era um tipo de reação. Parsons teve a satisfação de ver sua invenção adotado para todas as principais estações de energia do mundo, e o tamanho dos geradores havia aumentado de seu primeiro 7,5 kW configurado para unidades de capacidade de 50.000 kW. Dentro de vida de Parson, a capacidade de geração de uma unidade foi aumentado por cerca de 10.000 vezes, e da produção total de turbo-geradores construídos por sua empresa CA Parsons e Companhia e por seus licenciados, tinha excedido trinta milhões de cavalos de potência.[6]

As turbinas a vapor são máquinas de grande velocidade. Se todo o salto entálpico disponível se transforma em energia cinética no bocal, a velocidade do vapor na saída da mesma é muitas vezes superior a velocidade do som, e a velocidade periférica do rotor para aproveitar com bom rendimento esta energia poderia chegar a ser superior ao limite de resistência dos materiais empregados. Além das altas velocidades as turbinas a vapor modernas trabalham em condições super críticas de pressão e temperatura (acima de 250 bar e 600°C, respectivamente).[5]

Funcionamento[editar | editar código-fonte]

Uma turbina a vapor não cria energia, utiliza o vapor para transformar a energia calorífica liberada pela queima de combustível em movimento de rotação e movimento alternado de vaivém, a fim de realizar trabalho. Uma turbina a vapor possui uma fornalha, na qual se queima carvão, óleo, madeira ou algum outro combustível para produzir energia calorífica.[7]

Rotor de uma moderna turbina a vapor

Em uma turbina a vapor a transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas;

Inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética. Para isso o vapor é obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de formato especial, denominados expansores, onde, devido à pequena área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em conseqüência, sua entalpia. Em um expansor, além do aumento de velocidade e da diminuição da entalpia, ocorre também queda na pressão, queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor

Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes: Segundo o princípio da Ação ou segundo o princípio da Reação.

Tipos[editar | editar código-fonte]

A turbina pode ser dividida em 3 tipos com relação à sua construção:

  • Turbinas de ação: quando o vapor se expande somente nos órgãos fixos(pás diretrizes e bocais) e não nos órgãos móveis (pás do rotor). Portanto, a pressão é a mesma sobre os dois lados do rotor.
  • Turbinas de reação: quando o vapor se expande também no rotor. Ou seja, que a pressão de vapor na entrada do rotor é maior que na saída do mesmo.
  • Turbinas de ação e reação: quando uma parte da turbina a vapor é de ação e outra parte de reação.

Quanto a descarga de vapor:[8]

  • Condensação de fluxo direto: Descarrega o vapor para o condensador a uma pressão menor que a atmosférica (alto vácuo) afim de aumentar a eficiência total.Tendem a ser maiores e mais potentes do que as de contrapressão. A eficiência total é inferior ao de uma instalação de contrapressão, pois uma parte da energia contida no vapor se perde no condensador.
  • Condensação com extração: Empregada quando se necessita mais eletricidade do que se pode gerar com o calor de processo. Quando de extração automática ou regulável, permitem a retirada de vazões variáveis de vapor sob pressão constante, em um ou mais pontos de extração, já em extração não regulável, não há controle da pressão do

vapor retirado, que varia em função da carga.

  • Contrapressão de fluxo direto: O termo contrapressão indica que o vapor na saída da turbina está a uma pressão igual ou superior a atmosférica, condição necessária para atender a demandas de calor em temperaturas superiores a 100 °C. Geralmente menores do que uma unidade de condensação equivalente e, usualmente, operam com maiores rotações e são instaladas em indústrias em que haja necessidade de vapor nos processos de fabricação.
  • Contrapressão com extração: Utilizadas quando o processo exigir vapor em diferentes níveis de pressão (média e baixa), sendo usadas Sangrias quando o volume de vapor de extração (média pressão) é menor que o de escape (baixa pressão). Extrações controladas são usadas quando o fluxo de extração (média pressão) é relativamente alto quando comparado com o fluxo de vapor de escape (baixa pressão) e a demanda de vapor de média pressão está sujeita a flutuações consideráveis.

Com relação ao fluxo podemos ter:

  • Duplo fluxo: O fluxo é admitido no centro do cilindro e dividido em duas direções axiais opostas. Evita o tamanho excessivo das palhetas nos últimos estágios e reduz os esforços axiais causados pelo fluxo.
  • Fluxo único: O fluxo escoa na mesma direção desde a entrada até a saída.
  • Fluxo reverso:  Apresentam 2 carcaças, sendo uma interna e outra externa, onde o fluxo flui em uma direção na carcaça interna e na direção oposta na carcaça externa. Redução dos esforços axiais e resfriamento da carcaça interna pelo próprio vapor após sua expansão na mesma. Permite partidas mais rápidas

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Locomotiva a vapor, usada como trem turístico na Áustria

Barco a vapor: A criação do primeiro navio a vapor é creditada a Henry Bell, projetista do Comet, um vapor propelido a rodas que transportou passageiros no rio Clyde, na Escócia, em 1812. Antes disso, porém, várias tentativas haviam sido feitas e diversas patentes registradas. A navegação a vapor evoluiu caracterizando-se pela construção de navios cada vez maiores e mais potentes até que em 1819, um barco a vela equipado com um motor a vapor atravessou o Atlântico.[9]  

Locomotivas a vapor: É uma locomotiva propulsionada por um motor a vapor que compõe-se de três partes principais: a caldeira, produzindo o vapor usando a energia do combustível, a máquina térmica, transformando a energia do vapor em trabalho mecânico e a carroçaria, carregando a construção. O vagão-reboque (também chamado "tender") de uma locomotiva a vapor transporta o combustível e a água necessários para a alimentação da máquina.

Referências

  1. Encyclopædia Britannica (1931-02-11). "Sir Charles Algernon Parsons (British engineer) - Britannica Online Encyclopedia". Britannica.com. Retrieved 2010-09-12.
  2. turbine. Encyclopædia Britannica Online
  3. A new look at Heron's 'steam engine'" (1992-06-25). Archive for History of Exact Sciences 44 (2): 107-124.
  4. O'Connor, J. J.; E. E. Roberston (1999). Heron of Alexandria. MacTutor
  5. a b http://www.dem.feis.unesp.br/intranet/capitulo11.pdf
  6. Parsons, Sir Charles A.. "The Steam Turbine"
  7. http://www.oocities.org/tremdedoido/ferroloco/funcionamento_maquina_vapor.htm
  8. http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfHnwAK/resumao-turbina-a-vapor
  9. Historic Naval Ships Association website