teoria das maquinas termicas

teoria das maquinas termicas

(Parte 1 de 5)

1 Máquinas Térmicas I

Compilação: Prof. Luiz Carlos Martinelli Jr. - DeTEC. Panambi/2002

TURBINAS A GÁS5
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO6
DEFINIÇÕES BÁSICAS7
PROCESSOS TERMODINÂMICOS PARA UM GÁS PERFEITO9
ANÁLISE ENERGÉTICA DE MÁQUINAS13
APLICAÇÕES14
Como Máquinas Térmicas14
Como Turbomáquinas “Frias”17
CAPÍTULO 2. TURBOMÁQUINAS17
TURBINAS A GÁS18
Histórico do Desenvolvimento da Turbina a Gás18
Componentes Principais24
Classificação da Turbinas a Gás29
COMPONENTES PRINCIPAIS39
Compressores39
Turbinas48
FUNCIONAMENTO DAS MÁQUINAS TÉRMICAS51
Construção e Princípio de Operação52
ANÁLISE DO CICLO54
Análise Comparativa do Ciclo5
Fluido de Trabalho56
Características de Torque57
CAPÍTULO 3. MATERIAIS, COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO58
MATERIAIS58
Comportamento dos Materiais58
Materiais Comumente Utilizados65
COMBUSTÍVEIS E COMBUSTÃO69
Tipos de Combustíveis70
Considerações Sobre Combustão71
CAPÍTULO 4. SISTEMA DE CONTROLE E OPERAÇÃO76
SISTEMA DE ADMISSÃO DE AR E ESCAPAMENTO76
Sistema de Admissão76
Sistema de Escape76
SISTEMA DE PARTIDA E IGNIÇÃO76
Sistema de Partida76
Sistema de Ignição79
INSTRUMENTAÇÃO79
NOÇÕES BÁSICAS DE MANUTENÇÃO81
Condições que Afetam a Manutenção das Turbinas a Gás82
TURBINAS A VAPOR86
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO87
EXPANSORES CONVERGENTES E CONVERGENTES-DIVERGENTES8
PRINCIPIO DA AÇÃO E PRINCÍPIO DA REAÇÃO89
TURBINA DE AÇÃO E TURBINA DE REAÇÃO90
ESTÁGIOS MÚLTIPLOS91
ESTÁGIOS DE AÇÃO E ESTÁGIOS DE REAÇÃO92
Estágios de Ação92
Estágios de Reação93
CAPÍTULO 3. COMPONENTES BÁSICOS95
ESTATOR (RODA FIXA)95
ROTOR (RODA MÓVEL)95
EXPANSOR95
PALHETAS96
DIAFRAGMAS97
DISCO DO ROTOR98
TAMBOR ROTATIVO98
COROA DE PALHETAS98
ARO DE CONSOLIDAÇÃO98
LABIRINTOS9
CARCAÇA100
MANCAIS DE APOIO (RADIAIS)100
MANCAIS DE ESCORA100
VÁLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO101
I - Construção “Multi-Valve”102
I - Construção “Single-Valve”102
VÁLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAÇÃO103
VÁLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMÁTICO104
CAPÍTULO 4. TURBINAS DE USO GERAL E ESPECIAL107
TURBINAS DE USO GERAL107
TURBINAS DE USO ESPECIAL108
TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS109
TURBINA DE FLUXO RADIAL109
TURBINAS USADAS EM INDÚSTRIAS109
CAPÍTULO 5. TIPOS E APLICAÇÕES1
INTRODUÇÃO1
TIPOS BÁSICOS1
APLICAÇÕES DE TURBINAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS113
Contrapressão Direta113
Contrapressão com Simples Extração ou Sangria114
Contrapressão com Dupla Extração ou Sangria114
Contrapressão com Indução115
Contrapressão com Indução ou Sangria115
Condensação Direta116
Condensação com Simples Extração ou Sangria116
Condensação com Dupla Extração ou Sangria116
Condensação com Indução117
Condensação com Indução ou Sangria117
Condensação com Vapor de Baixa Pressão117

3 TURBINAS COMPOSTAS EM SÉRIE E EM PARALELO....................................................118

TIPOS CONSTRUTIVOS USUAIS119
CAPÍTULO 6. MATERIAI S EMPREGADOS127
CARCAÇA127
CONJUNTO ROTATIVO128
PALHETAS129
EXPANSORES129
SELAGEM130
MANCAIS130
PARAFUSOS DA CARCAÇA130
VÁLVULAS DE CONTROLE130
ESPECIFICAÇÕES DE MATERIAL130
BIBLIOGRAFIA TURBINA S A VAPOR134
BIBLIOGRAFIA TURBINA S A GÁS134

5 TURBINAS A GÁS

Teste da turbina do F119

Capítulo 1. Introdução

As turbinas a gás (TG) são turbomáquinas que, de um modo geral pertencem ao grupo de motores de combustão e cuja faixa de operação vai desde pequenas potências (100 KW) até 180 MW (350 MW no caso de nucleares), desta forma elas concorrem tanto com os motores alternativos de combustão interna (DIESEL e OTTO) como com as instalações a vapor (TV) de pequena potência.

Suas principais vantagens são o pequeno peso e volume (espaço) que ocupam. Isto aliado à versatilidade de operação que apresentam está fazendo com que sua utilização se encontre em franca ascendência atualmente. Sendo compostas de turbomáquinas (Máquinas Rotativas) as turbinas a gás apresentam uma vantagem bastante grande quando comparadas aos motores alternativos uma vez que nelas há ausência de movimentos alternativos e de atrito entre superfícies sólidas (pistão/camisa do cilindro). Isto significa a quase inexistência de problemas de balanceamento e, ao mesmo tempo, um baixo consumo de. óleo lubrificante (uma vez que o mesmo não entra em contato direto com partes quentes e nem com os produtos de combustão. Disso decorre uma outra vantagem: a elevada confiabilidade que apresentam. Além disso, quando comparadas às instalações a vapor, as turbinas a gás praticamente não necessitam de fluido refrigerante o que facilita muito sua instalação. Outro aspecto bastante favorável das turbinas a gás é a baixa inércia térmica que lhes permite atingir sua carga plena em um espaço de tempo bastante reduzido. No caso de estar pré aquecida por exemplo, o tempo entre carga nula e carga plena varia de 2 a 10 segundos. Este aspecto faz com que as turbinas a gás sejam particularmente indicadas para sistema de geração de energia elétrica de ponta, onde o processo de partida e necessidade da plena carga no menor tempo possível é de suma importância. Esta é também uma condição imprescindível nos sistemas “Stand-by” ou “No-Break”, onde o fornecimento ininterrupto de energia é condição básica necessária (Figura 1.1).

Normalmente se denomina Turbina a Gás (TG) o conjunto completo do motor ou a instalação da mesma que é composta dos seguintes componentes principais:

- compressor (responsável pela elevação de pressão); - aquecedor do fluido de trabalho e,

- a turbina propriamente dita (elemento expansor).

Observa-se que a turbina é a única parte do sistema (conjunto) e que o fluído de trabalho sofre a expansão que é, por ela, transformada em energia ou trabalho mecânico.

A construção das turbinas a Gás (da qual trataremos posteriormente, em detalhe) pode ser feita da seguinte maneira:

ü Instalação de potência auto-suficiente com sistema de gerador de calor próprio através da queima de combustível (câmara de combustão) – Geração interna de calor (ciclo aberto).

ü Instalação de potência depende com introdução de calor independente (direto ou de rejeição) através de um trocador de calor – geração externa de calor (ciclo fechado)

Esta possibilidade de múltipla escolha para o método de introdução de calor, aumenta ainda mais a versatilidade de funcionamento das turbinas a gás uma vez que assim será permitido o uso de uma variedade de combustíveis inclusive sólido e, até mesmo, o uso de energia nuclear.

Seu campo de aplicação é o mais variado possível e o mais amplo dentre os diversos tipos de motores. Inicialmente elas foram desenvolvidas objetivando fornecimento de trabalho mecânico. Entretanto, o desenvolvimento efetivo só ocorreu em virtude de sua aplicação na aeronáutica como elemento propulsor (reator). Enquanto fornecedores de trabalho mecânico as turbinas a gás tem sido utilizadas, de maneira geral, como elemento propulsor para navios; aviões (hélice); no setor automotivo, ferroviário e, principalmente, como acionador de estações “booster” de bombeamento (oleodutos e gasodutos) assim como também na geração de eletricidade, principalmente, nas centrais de ponta e sistemas “Stand-by” e em locais onde peso e volume são levados em conta como o caso das Plataformas “Off-shore” de extração de petróleo. Também são usadas em locais remotos e de difícil acesso e instalação, pois a sua alta confiabilidade aliada à simplicidade de operação permitem inclusive que elas sejam operadas à distância.

Como desvantagens das turbinas a gás têm-se o baixo rendimento e a alta rotação, fatores bastante desfavoráveis no caso de aplicação industrial.

Calor – É a forma de energia transferida entre dois sistemas em virtude da diferença de temperatura entre eles.

Ciclo – Quando um sistema parte de um estado inicial passa por diversas transformações e retorna mesmo estado inicial, i. e, quando o estado inicial é idêntico ao estado final após as transformações sofridas.

Energia – É a capacidade de produzir trabalho. O estado de um sistema ser transformado pela adição ou extração de energia.

Calor e trabalho são diferentes formas de energia em trânsito, não são contidos em nenhum sistema.

Tanto o calor como o trabalho são funções do caminho e dependem portanto do processo (Eles não são propriedades ou sistemas).

Energia, calor e trabalho são expressos em joules (J) = Newton.m (Nm)

.2n

Energia mecânica – 60 bFwMtop=

liberdade das moléculas (átomos)ò=

Entropia – Entropia indica o grau de desorganização do universo. Faz considerações sobre o grau de T dQ S

Estado – o estado de um sistema é a sua condição a qual é definida por suas propriedades. Grandeza específica – é quando a grandeza é relacionada à unidade de massa. Processo – é uma transformação ou série de transformações no estado do sistema.

Processo Reversível – Um processo é reversível se o sistema e sua vizinhança podem ser reconduzidos aos seus estados iniciais pela reversão do processo. Um processo reversível em uma máquina com escoamento somente é possível quando há ausência de atrito no fluído e transferência de calor com diferenças de temperatura com degraus muito pequenos. Por ser um processo ideal somente serve como referência na comparação com processos reais equivalentes.

Processo irreversível – No irreversível o estado inicial não é atingido pela reversão do processo. Como sempre há atrito e as diferenças de temperatura são finitas todos os processos reais são irreversíveis.

Processo Adiabático – Quando não há transferência de calor entre o sistema e a vizinhança durante o processo.

Sistema – um conjunto arbitrário de matéria tendo uma fixada identidade. – fora do sistema têm-se a vizinhança

– a interface entre sistema/vizinhança chama-se fronteira

Sistema fechado – quantidade fixada de matéria – não há fluxo de matéria – há troca de calor e trabalho; a fronteira pode mudar (pistão).

Sistema aberto – há um fluxo contínuo de matéria através das fronteiras – volume de controle (superfície de controle). A quantidade da matéria ocupando o volume de controle varia com o tempo!

Temperatura – É a medida do potencial térmico do sistema. Identifica, portanto, o estado do sistema.

Trabalho – É aquilo que o sistema transfere à sua vizinhança quando suas fronteiras são deslocadas pela ação de uma força.

Trabalho = forma x distância (na direção das forças).

Trabalho mecânico à F.dl = Mto . q

PROCESSOS TERMODINÂMICOS PARA UM GÁS PERFEITO Cinco são os processos termodinâmicos para um gás perfeito

- Processo Isovolumétrico (Isocórico) - Processo Isobárico

- Processo Isotérmico

- Processo Adiabático Reversível (Isentrópico)

- Processo Politrópico

mas:ò=Þ==0dv0pdvW
então:ò==dtcmUQv

mRTVp mRTVp =

variação de entropia:

T c

T dTcT dQ Svv Eq. 3

vcS eTT D =12

10 PROCESSO ISOBÁRICO (P = CONSTANTE)

UwQ Eq. 6

(Parte 1 de 5)

Comentários