Questões de Concurso sobre Turbinas termomecânicas (elementos, características e classificação)

O vapor numa caldeira está a 227 ºC (aprox. 500 K) e é usado num pistão para produzir trabalho mecânico, escapando em seguida para a atmosfera a temperatura igual a 107 ºC (aprox. 380 K). Assinale o máximo rendimento teórico desta máquina a vapor.

Uma turbina a gás tem vários estágios de pressão, cada um deles contendo um conjunto de bocais que provocam a aceleração do gás, seguidos por paletas ligadas ao rotor. A função dos bocais é enviar para as pás uma quantidade de gases em alta velocidade, para provocar a rotação do rotor. São conhecidos os seguintes dados relativos ao gás que passa pelo bocal de expansão.

Temperatura na entrada: 462,5 K

Temperatura na saída: 400 K

Velocidade na entrada: 10 m/s

Calor específico do ar: CP = 1,0 kJ/kg . K

Entalpia do ar: h = C_P.T

Assinale, entre as alternativas a seguir, aquela que mais se aproxima da velocidade na saída do bocal.

As turbinas do tipo Francis são turbinas de reação que recebem a água sob pressão na direção radial e a descarregam em uma direção axial, havendo transformação de energia cinética e de pressão em trabalho. Essas turbinas têm grande campo de rotação específica e podem ser instaladas com eixo horizontal ou vertical, sendo esse último mais comum nas usinas de grande potência.

Considere as seguintes grandezas referentes ao funcionamento de uma turbina: W real = trabalho gerado pela turbina; W ideal = trabalho gerado pela turbina funcionando idealmente de maneira reversível e adiabática; e Q = calor perdido pela carcaça da turbina. A eficiência isentrópica da turbina pode ser matematicamente definida pela seguinte expressão:

Em um ciclo combinado de turbina a gás e turbina a vapor, a caldeira do ciclo a vapor é substituída por um trocador de calor que transfere energia dos gases de exaustão de uma ou mais turbinas a gás para a substância de trabalho do ciclo Rankine.

A turbina a vapor, equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor e a transforma em energia mecânica, é eficiente quando utilizada em condições de projeto. Acoplada a um gerador, a turbina pode transformar essa energia mecânica em energia elétrica, limitada à geração de potências de, no máximo, 1.000 kW.

Em um ciclo a vapor de geração de potência, a eficiência térmica do ciclo pode ser aumentada pela diminuição da pressão no condensador, desde que a temperatura de saturação nesse dispositivo mantenha-se acima da temperatura do meio para o qual o condensador dispense calor.

Funcionando, geralmente, em regime estacionário, a turbina

Se o rendimento global do protótipo for 94,5%, a vazão de água será igual a 3.748 m3/s.

É correto afirmar que o referido protótipo é típico de uma turbina hidráulica radial.

Em uma turbina a gás que funciona com base em um ciclo de Brayton ideal, o reaquecimento aumenta tanto a potência de saída específica (potência útil por unidade de vazão, W) como a eficiência.

Os rotores mostrados nas figuras a, b e c são utilizados nas turbinas do tipo Francis, Kaplan e Pelton, respectivamente.

As turbinas Kaplan têm pás fixas ou móveis no rotor. No caso de pás móveis, é possível ajustar individualmente o ângulo de cada pá. Essas turbinas são comuns em quedas d'água elevadas e apresentam pouca flexibilidade de ação diante das variações de capacidade e das variações de velocidade e queda.

Considerando que um processo de expansão através de uma turbina a vapor ocorra entre as pressões P1 e P2, que o estado inicial seja de vapor superaquecido e que o estado final seja uma mistura de líquido e vapor saturados, então, se o estado inicial e a pressão final forem os mesmos, as irreversibilidades associadas a um processo real em uma turbina contribuirão para a elevação do título da mistura ao final da expansão, em relação a um processo isoentrópico que ocorreria em uma turbina ideal.

Turbinas Pelton possuem uma curva de eficiência relativamente plana, com boa performance em diversas condições de operação, sendo particularmente adequadas para quedas d'água elevadas. O rotor é movimentado graças à ação de jatos de água produzidos por bocais tangenciais ao rotor. As velocidades de rotação são maiores ao serem comparadas com outros tipos de turbina, o que acarreta considerável erosão nas pás dos rotores.

A eficiência de cada estágio é calculada pela razão entre a queda real de entalpia e a queda isentrópica de entalpia.