Fundamentos de uma turbina a vapor

1 – INTRODUÇÃO

Turbina a Vapor é a Máquina Térmica que utiliza a energia do vapor sob forma de energia cinética. Deve transformar em energia mecânica a energia contida no vapor vivo sob a forma de energia térmica e de pressão.

Embora a história registre a construção de dispositivos rudimentares, que se baseavam nos mesmos princípios, de ação ou de reação, das turbinas atuais em épocas bastante remotas, o desenvolvimento da turbina a vapor, como um tipo realmente útil de acionador primário até a sua forma atual, ocorreu somente nos últimos setenta anos.

A turbina é um motor rotativo que converte em energia mecânica a energia de uma corrente de água, vapor d'água ou gás. O elemento básico da turbina é a roda ou rotor, que conta com paletas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar. Essa energia mecânica é transferida através de um eixo para movimentar uma máquina, um compressor, um gerador elétrico ou uma hélice. As turbinas se classificam como hidráulicas ou de água, a vapor ou de combustão. Atualmente, a maior parte da energia elétrica mundial é produzida com o uso de geradores movidos por turbinas. A turbina a vapor é atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acionadores primários existentes. Uma série de favorável de características concorreu para que a turbina a vapor se destacasse na competição com outros acionadores primários, como a turbina hidráulica, o motor de combustão interna, a turbina a gás.

2 – FUNDAMENTOS DE UMA TURBINA A VAPOR

Uma máquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no fluxo contínuo de vapor que receber, em trabalho mecânico. Sabe-se, da 2ª Lei da Termodinâmica, que somente parte da energia contida no vapor que chega à máquina poderá ser convertida em trabalho (a chamada exergia). A parte restante da energia, que não pode ser transformada em trabalho (a anergia), permanece no vapor descarregado pela máquina.

O trabalho mecânico realizado pela máquina pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico, um compressor, uma bomba. A anergia, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, em muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em outras situações, entretanto, é possível aproveitar o vapor descarregado pela máquina para fins de aquecimento, por exemplo. Aproveita-se assim sua energia residual, melhorando, em conseqüência, de forma significativa o rendimento global do ciclo.

Admitindo uma máquina a vapor que trabalhe em regime permanente, seja adiabática, receba vapor em um estado termodinâmico (1) e descarregue este mesmo vapor em um estado (2), têm-se:

a) a energia contida no vapor admitido:

h1 = (V12/2) + Z1

b) a energia contida no vapor descarregado:

h2 = (V22/2) + Z2

b) o trabalho realizado:

W = (h1 - h2) + (V12- V22)/2 + (Z1-Z2)

Onde: h = entalpia, V2/2 = energia cinética e Z = energia potencial.

As variações de energia cinética e energia potencial são normalmente desprezadas, a não ser em pontos onde a velocidade do vapor assume valores muito altos, como na saída dos expansores. Assim, é prática corrente desprezar nas expressões anteriores, a não ser quando aplicadas a expansores, tanto a energia cinética como a energia potencial, trabalhando apenas com os valores da entalpia. Em uma máquina alternativa a vapor, a energia do vapor é convertida diretamente em trabalho mecânico à medida que o vapor se expande no interior do cilindro, deslocando o êmbolo, que, por sua vez,aciona o sistema biela - manivela produzindo trabalho no eixo.

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, ocorrem também