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Lâminas de turbina

Os elementos mais importantes da turbina são as pás da turbina . Eles são os principais elementos que convertem a energia de pressão do fluido de trabalho em energia cinética. As pás da turbina são de dois tipos básicos:

• lâminas em movimento
• lâminas fixas

Nas turbinas a vapor, o vapor se expande através da lâmina fixa (bico), onde a energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as lâminas móveis, muda de direção e também se expande (no caso de lâminas do tipo reação ). A mudança de direção e a aceleração do vapor (no caso de lâminas do tipo reação) aplicam uma força. O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. Os tipos de turbinas a vapor baseadas na geometria da lâmina e no processo de conversão de energia são:

• turbina de acción
• turbina de reação

As turbinas a vapor modernas freqüentemente empregam reação e impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da lâmina até sua periferia. As pás do rotor são geralmente projetadas como uma lâmina de impulso na podridão e como uma lâmina de reação na ponta.

A eficiência e a confiabilidade de uma turbina dependem do design adequado das pás. Portanto, é necessário que todos os engenheiros envolvidos na engenharia de turbinas tenham uma visão geral da importância e dos aspectos básicos do projeto das pás das turbinas a vapor. A engenharia de pás de turbinas é uma tarefa multidisciplinar . Envolve a termodinâmica , aerodinâmica, engenharia mecânica e de materiais .

Para turbinas a gás , as pás da turbina costumam ser o componente limitador. A temperatura mais alta do ciclo ocorre no final do processo de combustão e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Como de costume, considerações metalúrgicas (cerca de 1700 K) impõem limites superiores à eficiência térmica. Portanto, as pás das turbinas costumam usar materiais exóticos, como superligas e muitos métodos diferentes de resfriamento, como canais de ar internos, resfriamento da camada limite e revestimentos de barreira térmica. O desenvolvimento de superligas na década de 1940 e novos métodos de processamento, como a fusão por indução a vácuo na década de 1950, aumentaram bastante a capacidade de temperatura das pás das turbinas. As pás das turbinas modernas costumam usarsuperligas à base de níquel que incorporam cromo, cobalto e rênio.

As pás das turbinas a vapor não são expostas a temperaturas tão altas, mas devem suportar uma operação com fluido bifásico . O alto conteúdo de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, por exemplo, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. Outro desafio para os engenheiros é o design das pás da última etapa da turbina LP. Essas pás devem ser (devido ao alto volume específico de vapor) muito longas, o que induz enormes forças centrífugasdurante a operação. Portanto, as pás da turbina estão sujeitas ao estresse da força centrífuga (os estágios da turbina podem girar a dezenas de milhares de revoluções por minuto (RPM), mas geralmente a 1800 RPM) e forças de fluido que podem causar falhas de fratura, rendimento ou fluência.

Lâminas de turbina – raiz, perfil, cobertura

Controle de turbinas a vapor

O controle da turbina a vapor é o procedimento de controle da taxa de fluxo de vapor para uma turbina a vapor, de modo a manter a velocidade da turbina razoavelmente constante, independentemente da carga na turbina. A turbina principal típica em usinas nucleares, na qual o vapor se expande de pressões de cerca de 6 MPa para pressões de 0,008 MPa, opera a velocidades aproximadamente:

• 3000 RPM para sistemas de 50 Hz para gerador de 2 polos (ou 1500 RPM para gerador de 4 polos),
• 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para gerador de 4 polos (ou 3600 RPM para gerador de 2 polos).

A variação na carga (potência) durante a operação de uma turbina a vapor pode ter um impacto significativo em seu desempenho e eficiência. Tradicionalmente, usinas nucleares (NPPs) têm sido consideradas fontes de carga de basede eletricidade, pois contam com uma tecnologia com altos custos fixos e baixos custos variáveis. No entanto, esse simples estado de coisas não se aplica mais a todos os países. A participação da energia nuclear no mix nacional de eletricidade de alguns países tornou-se tão grande que as concessionárias tiveram que implementar ou melhorar as capacidades de manobrabilidade de suas usinas para poder adaptar o fornecimento de eletricidade a variações diárias, sazonais ou outras na demanda de energia. Por exemplo, este é o caso na França, onde mais de 75% da eletricidade é gerada pelas centrais nucleares e onde alguns reatores nucleares operam no modo de acompanhamento de carga .

O objetivo principal na operação de turbinas a vapor é manter uma velocidade de rotação constante, independentemente da carga variável. Isso pode ser alcançado por meio do controle em uma turbina a vapor. Os principais métodos de governo usados ​​em turbinas a vapor são:

1. 

   Regulador do acelerador . As principais partes de um sistema simples de controle do acelerador são as válvulas de parada do acelerador e especialmente as válvulas de controle entre os geradores de vapor e a turbina principal. O objetivo principal das válvulas de controle é reduzir a vazão do vapor. Incidentalmente na redução da taxa de massa do fluxo, o vapor experimenta uma queda de pressão crescente na válvula de controle, que é de fato um processo isentálico. Embora o estrangulamento seja um processo isentálico, a queda de entalpia disponível para o trabalho na turbina é reduzida, pois isso causa um aumento na qualidade do vapor do vapor de saída.

2. Regulação do bico . No controle do bico, o suprimento de vapor da válvula principal é dividido em duas, três ou mais linhas. A vazão do vapor é regulada pela abertura e fechamento de conjuntos de bicos, em vez de regular sua pressão.
3. Ignorar o governo . Isso geralmente é usado para a válvula de sobrecarga que passa o vapor diretamente para os últimos estágios da turbina a vapor. Durante essa operação, as válvulas de desvio são abertas e o vapor é introduzido nos estágios posteriores da turbina. Isso gera mais energia para satisfazer o aumento da carga.
4. Combinação de 2 e 3 .

Bomba de calor – Como funciona

O termo bomba de calor é usualmente reservado para um dispositivo que possa aquecer uma casa no inverno usando um motor eléctrico que faz o trabalho W para levar o calor Q _frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor Q _quente para o interior quente da casa.

O princípio operacional de refrigeradores , condicionadores de ar e bombas de calor é o mesmo e é exatamente o inverso de um motor de aquecimento . Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um ” dissipador de calor “, mas, neste caso, a transferência ocorre na direção oposta da transferência espontânea de calor, absorvendo o calor de um espaço frio e liberando-o para um mais quente. Conforme ilustrado na figura, ao realizar um trabalho externo W, o calor é retirado de uma região de baixa temperatura (fonte de calor) e uma quantidade maior de calor é exaurida em uma temperatura mais alta (dissipador de calor).

O ciclo ou método termodinâmico mais utilizado para aquecimento, ar condicionado, geladeiras e bombas de calor é o ciclo de compressão de vapor . Mas o ciclo de Brayton também pode ser usado para acionar as bombas de calor.

Exemplo – Bomba de Calor – Aquecimento e Ar Condicionado

Uma bomba de calor reversível possui um coeficiente de desempenho, COP = 3,0 , quando operada no modo de aquecimento . Seu compressor consome 1500 W de energia elétrica.

1. Calcule a quantidade de calor ( Q _quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
2. Se a bomba de calor fosse colocada no modo de resfriamento (por exemplo, para atuar como um ar-condicionado no verão), qual seria a expectativa do seu coeficiente de desempenho ? Suponha que tudo o mais permaneça o mesmo e negligencie todas as outras perdas.

Solução:

No COP , que é definido como:

a quantidade de calor que a bomba de calor pode adicionar a uma sala é igual a:

Q _quente = _{aquecimento de} COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

No caso do modo de resfriamento , a bomba de calor (ar condicionado) com motor de 1500 W pode retirar o calor Q de _frio de dentro da casa e despejar Q _quente = 4500 W no exterior quente. Usando a primeira lei da termodinâmica, que declara:

Q _frio + W = Q _quente ,

obtém-se o calor, Q _frio = 3000 W . A partir da definição: COP _cooling = 3000/1500 = 2 .

Observe que, neste exemplo, temos muitas suposições. Por exemplo, assumimos que a diferença de temperatura (T _quente – T _fria ) é a mesma para os dois modos. Mas trocamos reservatórios, sem nenhum impacto na COP. É apenas um exemplo ilustrativo.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Geladeira, Ar condicionado

O coeficiente de desempenho , COP , de um refrigerador é definido como o calor removido do reservatório frio Q _frio (dentro da geladeira) dividido pelo trabalho W realizado para remover o calor (ou seja, o trabalho realizado pelo compressor).

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor

Para aquecimento, o COP é a proporção do calor adicionado ao sistema (reservatório quente). Usando a primeira lei da termodinâmica, defina COP também como o calor removido do reservatório frio mais o trabalho de entrada no trabalho de entrada.

Bomba de calor – Como funciona

O termo bomba de calor é usualmente reservado para um dispositivo que possa aquecer uma casa no inverno usando um motor eléctrico que faz o trabalho W para levar o calor Q _frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor Q _quente para o interior quente da casa.

O princípio operacional de refrigeradores , condicionadores de ar e bombas de calor é o mesmo e é exatamente o inverso de um motor de aquecimento . Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um ” dissipador de calor “, mas, neste caso, a transferência ocorre na direção oposta da transferência espontânea de calor, absorvendo o calor de um espaço frio e liberando-o para um mais quente. Conforme ilustrado na figura, ao realizar um trabalho externo W, o calor é retirado de uma região de baixa temperatura (fonte de calor) e uma quantidade maior de calor é exaurida em uma temperatura mais alta (dissipador de calor).

O ciclo ou método termodinâmico mais utilizado para aquecimento, ar condicionado, geladeiras e bombas de calor é o ciclo de compressão de vapor .

Bombas de Calor Reversíveis

As bombas de calor reversíveis trabalham em qualquer direção para fornecer aquecimento ou ar condicionado (resfriamento) ao espaço interno. Eles empregam uma válvula de reversão para reverter o fluxo de refrigerante do compressor através das bobinas do condensador e da evaporação.

Aquecimento e Ar Condicionado

No modo de aquecimento , as bombas de calor são três a quatro vezes mais eficazes no aquecimento (ou seja, podem ter COP = 4) do que simples aquecedores de resistência elétrica que usam a mesma quantidade de eletricidade. O custo normalmente instalado para uma bomba de calor é cerca de 20 vezes maior do que para aquecedores de resistência. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador.

No modo de resfriamento , o fluxo é invertido e a bobina externa é um condensador, enquanto a interna é um evaporador. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador. O COP para o modo de resfriamento é menor que o modo de aquecimento, porque o trabalho realizado pelo compressor é utilizado apenas durante o modo de aquecimento.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter o trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Geladeira, Ar condicionado

O coeficiente de desempenho , COP , de um refrigerador é definido como o calor removido do reservatório frio Q _frio (ou seja, dentro de um refrigerador) dividido pelo trabalho W realizado para remover o calor (ou seja, o trabalho realizado pelo compressor).

Como pode ser visto, quanto melhor (mais eficiente) for a geladeira, mais calor Q _frio pode ser removido do interior da geladeira por uma determinada quantidade de trabalho. Como a primeira lei da termodinâmica deve ser válida também neste caso (Q _frio + W = Q _quente ), podemos reescrever a equação acima:

Para um refrigerador ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Essas fórmulas são aplicadas também a um ar condicionado , que funciona muito como uma geladeira.

Por outro lado, o COP para aquecimento e resfriamento é diferente.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor

Para aquecimento, o COP é a proporção do calor adicionado ao sistema (reservatório quente). Usando a primeira lei da termodinâmica, defina COP também como o calor removido do reservatório frio, mais o trabalho de entrada no trabalho de entrada.

Para uma bomba de calor ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Observe que essas equações devem usar uma escala de temperatura absoluta (T _frio , T _quente ) e é apenas uma eficiência máxima teórica . De acordo com a fórmula acima, o COP máximo atingível para T _quente = 35 ° C (308 K) e T _frio = 0 ° C (273 K) seria 8,8. Mas, na realidade, os melhores sistemas estão em torno de 4,5.

Como pode ser visto, o COP de um sistema de bomba de calor pode ser melhorado reduzindo a diferença de temperatura (T _quente – T _frio ). Portanto, reduzir a temperatura de saída (T _quente ) é muito eficiente, mas requer transferência de calor muito eficiente do sistema de bomba de calor para o ambiente (por exemplo, uso de piso encanado). Um aumento na temperatura de entrada (T _frio ) significa, por exemplo, uma fonte de calor no solo superdimensionada.

Exemplo – Bomba de Calor – Aquecimento e Ar Condicionado

Uma bomba de calor reversível possui um coeficiente de desempenho, COP = 3,0 , quando operada no modo de aquecimento . Seu compressor consome 1500 W de energia elétrica.

1. Calcule a quantidade de calor ( Q _quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
2. Se a bomba de calor fosse colocada no modo de resfriamento (por exemplo, para atuar como um ar-condicionado no verão), qual seria a expectativa do seu coeficiente de desempenho ? Suponha que tudo o mais permaneça o mesmo e negligencie todas as outras perdas.

Solução:

No COP , que é definido como:

a quantidade de calor que a bomba de calor pode adicionar a uma sala é igual a:

Q _quente = _{aquecimento de} COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

No caso do modo de resfriamento , a bomba de calor (ar-condicionado) com motor de 1500 W pode retirar o calor Q de _frio de dentro da casa e despejar Q _quente = 4500 W no exterior quente. Usando a primeira lei da termodinâmica, que declara:

Q _frio + W = Q _quente ,

obtém-se o calor, Q _frio = 3000 W . A partir da definição: COP _cooling = 3000/1500 = 2 .

Observe que, neste exemplo, temos muitas suposições. Por exemplo, assumimos que a diferença de temperatura (T _quente – T _fria ) é a mesma para os dois modos. Mas trocamos reservatórios, sem nenhum impacto na COP. É apenas um exemplo ilustrativo.

R134a Refrigerant – Propriedades

O R134a, quimicamente, 1,1,1,2-tetrafluoroetano (CF ₃ CH ₂ F) é um gás não inflamável usado principalmente como refrigerante de “alta temperatura” para refrigeração doméstica e condicionadores de ar de automóveis. É seguro para o manuseio normal, pois não é tóxico, não inflamável e corrosivo. Agora está sendo usado como um substituto para o refrigerante R-12, mais prejudicial ao meio ambiente, na área de compressores centrífugos, de parafuso rotativo, scroll e alternativos.

Derivação da equação de Bernoulli

A equação de Bernoulli para fluidos incompressíveis pode ser derivada das equações de movimento de Euler sob restrições bastante severas.

• A velocidade deve ser derivada de um potencial de velocidade .
• Forças externas devem ser conservadoras. Ou seja, derivável de um potencial.
• A densidade deve ser constante ou apenas uma função da pressão.
• Efeitos térmicos, como convecção natural, são ignorados.

Na dinâmica de fluidos, as equações de Euler são um conjunto de equações hiperbólicas quaseilineares que governam o fluxo adiabático e invíscido. As equações de Euler podem ser obtidas pela linearização dessas equações de Navier-Stokes.

quação de Bernoulli

A equação de Bernoulli pode ser considerada uma afirmação do princípio de conservação de energia apropriado para fluidos fluidos. É uma das equações mais importantes / úteis na mecânica de fluidos . Ele coloca em uma relação pressão e velocidade em um fluxo incompreensível inviscível . A equação de Bernoulli tem algumas restrições em sua aplicabilidade, resumidas nos seguintes pontos:

• sistema de fluxo constante,
• a densidade é constante (o que também significa que o fluido é incompressível),
• nenhum trabalho é feito sobre ou pelo fluido,
• nenhum calor é transferido para ou a partir do fluido,
• nenhuma mudança ocorre na energia interna,
• a equação relaciona os estados em dois pontos ao longo de uma única linha de fluxo (não condições em duas linhas de fluxo diferentes)

Sob essas condições, a equação geral de energia é simplificada para:

Conservação de massa

Esse princípio é geralmente conhecido como o princípio de conservação da massa e afirma que a massa de um objeto ou coleção de objetos nunca muda ao longo do tempo, não importa como as partes constituintes se reorganizem. Este princípio pode ser usado na análise de fluidos fluidos . A conservação de massa na dinâmica de fluidos afirma que todas as taxas de fluxo de massa em um volume de controle são iguais a todas as taxas de fluxo de massa fora do volume de controle mais a taxa de mudança de massa dentro do volume de controle. Este princípio é expresso matematicamente pela seguinte equação:

ṁ _in = ṁ _fora + ^∆m ⁄ _∆t

Entrada de massa por unidade de tempo = Partida de massa por unidade de tempo + Aumento de massa no volume de controle por unidade de tempo

Esta equação descreve o fluxo no estado estacionário . O fluxo em estado estacionário refere-se à condição em que as propriedades do fluido em qualquer ponto único do sistema podem mudar com o tempo. O fluxo no estado estacionário refere-se à condição em que as propriedades do fluido ( temperatura, pressão e velocidade ) em qualquer ponto do sistema não mudam com o tempo . Mas uma das propriedades mais significativas que é constante em um sistema de fluxo em estado estacionário é a taxa de fluxo de massa do sistema. Isso significa que não há acúmulo de massa em nenhum componente do sistema.