Turbinas a Vapor

A aplicação do vapor como força motriz só se tornou realidade a partir dos trabalhos de Thomas Savery em 1698. Estes trabalhos resultaram no motor alternativo a vapor que originou a revolução industrial.

O desenvolvimento da turbina a vapor demorou a iniciar mas foi rápido. Entre o final do século XVIII e o século XIX, diversos pesquisadores trabalharam em paralelo e mais de 100 patentes foram registradas entre 1880 e 1883. As primeiras turbinas a vapor foram construídas por Carl Gustav de Laval, do tipo impulso, e Charles Parsons, do tipo reação.

Atualmente, a geração de energia elétrica a partir do vapor baseia-se, conforme mostra a abaixo, nos seguintes equipamentos:

• Caldeira;

• Turbina;

• Condensador;

• Bomba.

O estado do vapor de água pode ser definido a partir de quaisquer duas das seguintes sete propriedades termodinâmicas: temperatura, pressão, volume específico, energia interna, entalpia,  entropia ou título.

O vapor de água tem sido extremamente estudado e suas propriedades foram documentadas pela IAPWS - International Association for Properties of Water and Steam. Os dados atualmente válidos podem ser vistos nos seguintes documentos:

• Texto Descritivo;

• Temperatura de Saturação;

• Pressão de Saturação;

• Água Comprimida e Vapor Superaquecido.

O programa CATT2 também fornece os dados de vapor.

No estudo da turbina a vapor utilizam-se normalmente diagramas de duas das seis propriedades termodinâmicas mencionadas acima. Os mais comuns são:

• Diagrama Temperatura x Entropia;

• Diagrama Entalpia x Entropia - Mollier.

Ciclo de Rankine

O ciclo Rankine baseia-se em quatro processos termodinâmicos:

• Bombeamento adiabático na bomba - 1 a 1´;

• Transformação da água em vapor a pressão constante na caldeira - 1´ a 3;

• Expansão adiabática na turbina - 3 a 4;

• Condensação do vapor a pressão constante no condensador -  4 a 1.

É importante observar que os pontos 1 e 2 estão exageradamente separados no diagrama T x S porque o bombeamento adiabático não produz variação de temperatura nem variação de entropia. Isto significa que, no diagrama TxS, os pontos 1 e 1´ são exatamente os mesmos.

O rendimento térmico do ciclo Rankine é dado por:

              

Onde:

w_liq é o trabalho líquido executado;

q_H é o calor fornecido ao sistema;

q_L é o calor retirado do sistema;

w_t é o trabalho realizado pela turbina;

w_b é o trabalho realizado pela bomba.

Considerando que:

 

Onde:

h_i é a entalpia no estado i.

O rendimento térmico do ciclo Rankine será dado por:

No ciclo Rankine ideal, a temperatura média de rejeição de calor é constante e igual à temperatura de condensação. No entanto, a temperatura média de fornecimento de calor é inferior à temperatura de vaporização por causa da variação de temperatura entre os pontos 1 e 2.

Isto significa que o rendimento do ciclo Rankine ideal é inferior ao rendimento térmico do ciclo de Carnot operando com temperatura máxima igual a temperatura de vaporização e mínima igual à temperatura de condensação.

Exemplos

Existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine:

• Redução da pressão na saída da turbina;

• Aumento da pressão na caldeira;

• Superaquecer o vapor.

No entanto, essas medidas afetam o título do vapor na saída da turbina. Quando o vapor na turbina está misturado com água a eficiência na turbina diminui e a água presente provoca erosão nas palhetas da turbina.  Por isso, essas medidas são limitadas por restrições mecânicas dos equipamentos.