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Teoria das Turbinas a Vapor – Termodinâmica

Hoje, o ciclo Rankine é o ciclo operacional fundamental de todas as usinas termelétricas onde um fluido operacional é continuamente evaporado e condensado. É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns , porque na maioria dos lugares do mundo a turbina é movida a vapor.

Ao contrário do ciclo de Carnot, o ciclo de Rankine não executa processos isotérmicos, porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo Rankine ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.

Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor a quente Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, uma turbina a vapor baseada no ciclo Rankine deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot.

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%); portanto, são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperatura do vapor . Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares .

Ciclo Rankine – Processos

Em um ciclo Rankine ideal, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos:

• Compressão isentrópica (compressão em bombas centrífugas) – O condensado líquido é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 por bombas centrífugas (geralmente por bombas de condensação e depois por bombas de água de alimentação). Os condensados ​​líquidos são bombeados do condensador para a caldeira de alta pressão. Nesse processo, o ambiente trabalha com o fluido, aumentando sua entalpia (h = u + pv) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _Pumps = H ₂ – H ₁ .
• Adição de calor isobárico (em um trocador de calor – caldeira) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há uma transferência de calor de pressão constante para o condensado líquido de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair . A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida até o ponto de ebulição (2 → 3a) desse fluido e depois evaporada na caldeira (3a → 3). O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₃ – H ₂
• Expansão isentrópica (expansão em uma turbina a vapor) – O vapor da caldeira se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4 em uma turbina a vapor para produzir trabalho e depois é descarregado no condensador (parcialmente condensado). O vapor trabalha nos arredores (pás da turbina) e perde uma quantidade de entalpia igual ao trabalho que sai do sistema. O trabalho realizado pela turbina é dado por W _T = H ₄ – H ₃ . Novamente a entropia permanece inalterada.
• Rejeição de calor isobárica (em um trocador de calor) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de pressão constante, no qual o calor é rejeitado pelo vapor parcialmente condensado. Há transferência de calor do vapor para a água de resfriamento que flui em um circuito de resfriamento. O vapor condensa e a temperatura da água de resfriamento aumenta. O calor líquido rejeitado é dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Durante um ciclo de Rankine, o trabalho é realizado no fluido pelas bombas entre os estados 1 e 2 ( i compressão sentropic ). O trabalho é feito pelo fluido na turbina entre as fases 3 e 4 ( i expansão sentropic ). A diferença entre o trabalho realizado pelo fluido e o trabalho realizado no fluido é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo (no diagrama pV). O fluido de trabalho em um ciclo Rankine segue um circuito fechado e é reutilizado constantemente.

Como pode ser visto, é conveniente usar a entalpia e a primeira lei em termos de entalpia na análise desse ciclo termodinâmico. Esta forma da lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

Veja também: Por que os engenheiros de energia usam entalpia? Resposta: dH = dQ + Vdp

Ciclo de Rankine – diagrama pV, Ts

O ciclo Rankine é frequentemente plotado em um diagrama de volume de pressão ( diagrama pV ) e em um diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts ).

Quando plotados em um diagrama de volume de pressão , os processos isobáricos seguem as linhas isobáricas do gás (as linhas horizontais), os processos adiabáticos se movem entre essas linhas horizontais e a área delimitada pelo caminho completo do ciclo representa o trabalho total que pode ser feito durante um ciclo.

O diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts) no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropia (s) específica (s) como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical. Os diagramas Ts são uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.

Eficiência térmica do ciclo Rankine

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida 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 . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

Essa é uma fórmula muito útil, mas aqui expressamos a eficiência térmica usando a primeira lei em termos de entalpia .

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D ) O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), este motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

= 1 – T _frio / T _quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K). Mas a usina nuclear é o verdadeiro motor térmico , no qual os processos termodinâmicos são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico e perdas de calor causam mais perdas de eficiência.

Para calcular a eficiência térmica do ciclo Rankine mais simples (sem reaquecimento), os engenheiros usam a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia e não em energia interna.

A primeira lei em termos de entalpia é:

dH = dQ + Vdp

Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho,   Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto, como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

É óbvio que será muito útil na análise de ambos os ciclos termodinâmicos usados ​​na engenharia de energia, ou seja, no ciclo de Brayton e no ciclo de Rankine.

A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. Ele é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com o volume específico e a energia interna específica . A eficiência térmica desse ciclo simples de Rankine e em termos de entalpias específicas seria:

É uma equação muito simples e, para determinar a eficiência térmica, você pode usar os dados das tabelas de vapor .

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%), de modo que são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. O motivo está na temperatura do vapor relativamente baixa ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperaturado vapor. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%.

Causas de ineficiência

Como foi discutido, uma eficiência pode variar entre 0 e 1. Cada mecanismo térmico é de alguma forma ineficiente. Essa ineficiência pode ser atribuída a três causas.

• Irreversibilidade de processos . Existe um limite superior teórico geral para a eficiência da conversão de calor em trabalho em qualquer motor térmico. Esse limite superior é chamado de eficiência de Carnot . De acordo com o princípio Carnot , nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura. Por exemplo, quando o reservatório quente tem T _quente de 400 ° C (673K) e T _frio de cerca de 20 ° C (293K), a eficiência máxima (ideal) será: = 1 – T _frio / T _quente = 1 – 293 / 673 = 56%. Mas todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Portanto, os motores térmicos devem ter eficiências mais baixas do que os limites de eficiência devido à irreversibilidade inerente ao ciclo dos motores térmicos que utilizam.
• Presença de fricção e perdas de calor. Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas dos componentes individuais. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico , perdas de calor e perdas no processo de combustão causam mais perdas de eficiência.
• Ineficiência do projeto . Finalmente, a última e também importante fonte de ineficiências provém dos compromissos assumidos pelos engenheiros ao projetar um motor térmico (por exemplo, usina). Eles devem considerar o custo e outros fatores no design e operação do ciclo. Como exemplo, considere um projeto do condensador nas usinas termelétricas. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

Melhoria da eficiência térmica – ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são:

Turbina a Vapor – Problema com a Solução

Vamos assumir o ciclo Rankine , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns em usinas termelétricas. Nesse caso, assuma um ciclo simples, sem reaquecimento e sem a turbina a vapor de condensação funcionando com vapor saturado  (vapor seco). Nesse caso, a turbina opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (ponto 3). O vapor sai deste estágio da turbina a uma pressão de 0,008 MPa, 41,5 ° C e x = ??? (ponto 4)

Calcular:

1. a qualidade do vapor do vapor de saída
2. a diferença de entalpia entre estes dois estados (3 → 4), a qual corresponde ao trabalho realizado pelo vapor, W _t .
3. a diferença de entalpia entre estes dois estados (1 → 2), que corresponde ao trabalho feito por bombas, W _P .
4. a diferença de entalpia entre esses dois estados (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor
5. a eficiência termodinâmica deste ciclo e compare esse valor com a eficiência de Carnot

1)

Como não sabemos a qualidade exata do vapor de saída, precisamos determinar esse parâmetro. O estado 4 é fixado pela pressão p ₄ = 0,008 MPa e o fato de que a entropia específica é constante para a expansão isentrópica (s ₃ = s ₄ = 5,89 kJ / kgK para 6 MPa ). A entropia específica da água líquida saturada (x = 0) e do vapor seco (x = 1) pode ser selecionada nas tabelas de vapor . No caso de vapor úmido, a entropia real pode ser calculada com a qualidade do vapor, x, e as entropias específicas de água líquida saturada e vapor seco:

s ₄ = s _v x + (1 – x) s _l              

Onde

s ₄ = entropia de vapor úmido (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

s _v = entropia do vapor “seco” (J / kg K) = 8,227 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

s _l = entropia de água líquida saturada (J / kg K) = 0,592 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

A partir desta equação, a qualidade do vapor é:

x ₄ = ( s ₄ – s _l ) / ( s _v – s _l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

2)

A entalpia para o estado 3 pode ser coletada diretamente das tabelas de vapor, enquanto a entalpia para o estado 4 deve ser calculada usando a qualidade do vapor:

h _{3, v} = 2785 kJ / kg

h _{4, molhado} = h _{4, v} x + (1 – x) h _{4, l}  = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Então o trabalho realizado pelo vapor, W _T, é

W _T = Δh = 945 kJ / kg

3)

A entalpia para o estado 1 pode ser obtida diretamente das tabelas de vapor:

h _{1, l} = 174 kJ / kg

O estado 2 é fixado pela pressão p ₂ = 6,0 MPa e pelo fato de a entropia específica ser constante para a compressão isentrópica (s ₁ = s ₂ = 0,592 kJ / kgK para 0,008 MPa ). Para esta entropia s ₂ = 0,592 kJ / kgK ep ₂ = 6,0 MPa, encontramos h _{2, sub-resfriado} em tabelas de vapor para água comprimida (usando interpolação entre dois estados).

h _{2, sub-resfriado} = 179,7 kJ / kg

Então, o trabalho realizado pelas bombas, W _P, é

W _P = Δh = 5,7 kJ / kg

4)

A diferença de entalpia entre (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor, é simplesmente:

Q _add = h _{3, v}  – h _{2, sub-resfriado} = 2785 – 179,7 =   2605,3 kJ / kg

Observe que, não há regeneração de calor neste ciclo. Por outro lado, a maior parte do calor adicionado é para a entalpia da vaporização (isto é, para a mudança de fase).

5)

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), este motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

η _Carnot = 1 – T _frio / T _quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K).

A eficiência termodinâmica deste ciclo pode ser calculada pela seguinte fórmula:

assim
η _th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%

Como funciona uma turbina a vapor?

A energia térmica contida no vapor é convertida em energia mecânica pela expansão através da turbina . A expansão ocorre através de uma série de lâminas fixas (bicos), que orientam o fluxo de vapor em jatos de alta velocidade . Esses jatos contêm energia cinética significativa, que é convertida em rotação do eixo pelas pás do rotor em forma de balde, conforme o jato de vapor muda de direção  (consulte: Lei da conversação do momento ). O jato de vapor, movendo-se sobre a superfície curva da lâmina, exerce uma pressão sobre a lâmina devido à sua força centrífuga. Cada linha de bicos fixos e pás móveis é chamada de estágio. As pás giram no rotor da turbina e as pás fixas são dispostas concentricamente dentro da carcaça circular da turbina.

Em todas as turbinas, a velocidade da lâmina rotativa é proporcional à velocidade do vapor que passa sobre a lâmina. Se o vapor for expandido apenas em um único estágio, da pressão da caldeira à pressão de exaustão, sua velocidade deverá ser extremamente alta. Mas 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 de cerca de 3.000 RPM para sistemas de 50 Hz para gerador de 2 pólos (ou 1500 RPM para gerador de 4 pólos). e 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para gerador de 4 polos (ou 3600 RPM para gerador de 2 polos). Um anel de lâmina única exigiria lâminas muito grandes e aproximadamente 30.000 RPM, o que é muito alto para fins práticos.

Portanto, a maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP de vários estágios paralelos , um gerador principal e um excitador.  A turbina HP geralmente é uma turbina de reação de fluxo duplo com cerca de 10 estágios com pás encobertas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. As turbinas LP são geralmente turbinas de reação de fluxo duplocom cerca de 5-8 estágios (com lâminas encobertas e com lâminas independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da produção bruta de energia da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.

Veja também: Turbina HP

Veja também: Turbina LP

Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (ponto D ) O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa ), e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Tipos de turbinas a vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo de sua construção, pressão de trabalho, tamanho e muitos outros parâmetros. Mas existem dois tipos básicos de turbinas a vapor:

• turbinas de impulso
• turbinas de reação .

A principal distinção é a maneira pela qual o vapor é expandido à medida que passa pela turbina.

Turbina de impulso e turbina de reação

Os tipos de turbinas a vapor baseadas na geometria da lâmina e no processo de conversão de energia são turbinas de impulso e turbina de reação.

Turbina de impulso

A turbina de acción é composta por pás móveis que se alternam com bicos fixos . Na turbina de acción, o vapor é expandido em bicos fixos e permanece sob pressão constante ao passar sobre as pás. Turbina Curtis , turbina Rateau ou turbina Brown-Curtis são turbinas do tipo impulso. A turbina a vapor original, a De Laval, era uma turbina de acción com uma roda de lâmina única.

Toda a queda de pressão do vapor ocorre apenas nos bicos estacionários. Embora as lâminas de impulso teórico tenham queda de pressão zero nas lâminas móveis, praticamente, para que o fluxo ocorra através das lâminas móveis, deve haver também uma pequena queda de pressão nas lâminas móveis.

Nas turbinas de impulso, o vapor se expande através do bico, onde a maior parte da energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as pás , muda de direção e , por sua vez, aplica uma força . O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. A principal característica dessas turbinas é que a queda de pressão por estágio único pode ser bastante grande, permitindo pás grandes e um número menor de estágios. Exceto para aplicações de baixa potência, as pás da turbina são dispostas em vários estágios em série, chamadas de composição, o que melhora muito a eficiência em baixas velocidades.

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.

Como os estágios de Curtis reduzem significativamente a pressão e a temperatura do fluido para um nível moderado, com uma alta proporção de trabalho por estágio. Um arranjo usual é fornecer no lado de alta pressão um ou mais estágios de Curtis, seguidos de Rateau ou estadiamento da reação. Em geral, quando o atrito é levado em consideração, os estágios de reação são considerados os mais eficientes, seguidos por Rateau e Curtis nessa ordem. As perdas por atrito são significativas para os estágios de Curtis, pois são proporcionais à velocidade do vapor ao quadrado. A razão pela qual as perdas por atrito são menos significativas no estágio da reação está no fato de o vapor se expandir continuamente e, portanto, as velocidades de fluxo serem mais baixas.

Turbina de reação – turbina Parsons

A turbina de reação é composta de pás móveis ( bicos ) alternando com bicos fixos . Na turbina de reação, o vapor é expandido em bicos fixos e também nos bicos móveis. Em outras palavras, o vapor está se expandindo continuamente à medida que flui sobre as pás. Há perda de pressão e velocidade nas pás móveis. As pás móveis têm um bico de vapor convergente. Portanto, quando o vapor passa pelas lâminas fixas, ele se expande com a diminuição da pressão do vapor e o aumento da energia cinética.

Nas turbinas de reação, o vapor se expande através do bico fixo, onde a energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as pás (bicos), muda de direção e passa por uma expansão maior  . A mudança de direção e a aceleração da equipe s aplicam uma força. O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. Não há mudança líquida na velocidade do vapor no palco, mas com uma diminuição na pressão e na temperatura, refletindo o trabalho realizado no acionamento do rotor. Nesse tipo de turbina, as quedas de pressão ocorrem em vários estágios, porque a queda de pressão em um único estágio é limitada.

A principal característica desse tipo de turbina é que, ao contrário da turbina de acción, a queda de pressão por estágio é menor , de modo que as pás se tornam menores e o número de estágios aumenta . Por outro lado, as turbinas de reação são geralmente mais eficientes, ou seja, têm maior “eficiência da turbina isentrópica” . A turbina de reação foi inventada por Sir Charles Parsons e é conhecida como turbina de Parsons.

No caso de turbinas a vapor, como as que seriam usadas para geração de eletricidade, uma turbina de reação exigiria aproximadamente o dobro do número de linhas de pás como uma turbina de acción, para o mesmo grau de conversão de energia térmica. Embora isso torne a turbina de reação muito mais longa e pesada, a eficiência geral de uma turbina de reação é ligeiramente maior que a turbina de acción equivalente para a mesma conversão de energia térmica.

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.

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento.

Esta classificação inclui:

• Turbina a vapor de condensação ,
• Turbina a vapor de contrapressão ,
• Reaqueça a turbina a vapor ,
• Turbina com Extração a Vapor

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 teor 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, queda ou fluência.

Lâminas de turbina – raiz, perfil, cobertura

As pás das turbinas são geralmente divididas em três partes:

• Raiz. A raiz é uma característica estrutural das pás da turbina, que fixa a lâmina no rotor da turbina.
• Perfil. O perfil converte energia cinética do vapor em energia mecânica da lâmina.
• Mortalha.  A cobertura reduz a vibração da lâmina que pode ser induzida pelo fluxo de vapor de alta pressão através das lâminas.

Perdas em turbinas a vapor

A turbina a vapor não é um motor térmico perfeito. Perdas de energia tendem a diminuir a eficiência e a produção de uma turbina. Essa ineficiência pode ser atribuída às seguintes causas.

• Perda de velocidade residual. A velocidade do vapor que sai da turbina deve ter determinado valor absoluto (v _ex ). A perda de energia devido à velocidade de saída absoluta de vapor é proporcional a (v _ex ² /2). Esse tipo de perda pode ser reduzido usando a turbina de vários estágios.
• Presença de fricção . Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, uma parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas por atrito dos componentes individuais (por exemplo, bicos ou pás da turbina)
• Vazamento de vapor. O rotor da turbina e a carcaça não podem ser perfeitamente isolados. Alguma quantidade de vapor vaza da câmara sem fazer um trabalho útil.
• Perda por atrito mecânico em rolamentos. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.
• Perdas de pressão em válvulas reguladoras e linhas de vapor. Existem as principais válvulas de isolamento da linha de vapor (MSIVs), as válvulas de parada do acelerador e as válvulas de controle entre os geradores de vapor e a turbina principal. Como o atrito do tubo, as menores perdas são aproximadamente proporcionais ao quadrado da vazão . A vazão nas principais linhas de vapor é geralmente muito alta. 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.
• Perdas devido à baixa qualidade do vapor . O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e o vapor está em um estado parcialmente condensado, tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Um conteúdo mais alto de gotículas de água pode causar o rápido impacto e erosão das pás, o que ocorre quando a água condensada é jateada nas pás.
• Perda de radiação. A turbina a vapor pode operar em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 °. Por ser uma máquina grande e pesada, deve ser isolada termicamente para evitar perda de calor no ambiente.

Regulação da turbina 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 cerca 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, as 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 se tornou 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 da turbina a vapor é manter uma velocidade de rotação constante, independentemente da carga variável. Isso pode ser alcançado por meio de 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 .

Viagem de turbina

Toda turbina a vapor também é fornecida com reguladores de emergência que entram em ação sob condições específicas. Em geral, um desligamento não planejado ou de emergência de uma turbina é conhecido como ” viagem da turbina “. O sinal de disparo da turbina inicia o fechamento rápido de todas as válvulas de entrada de vapor  (por exemplo, válvulas de parada da turbina – TSVs) para bloquear o fluxo de vapor através da turbina.

O evento de disparo da turbina é um transiente postulado padrão, que deve ser analisado no Relatório de Análise de Segurança (SAR) para usinas nucleares.

Em um evento de disparo de turbina, um mau funcionamento de um sistema de turbina ou reator faz com que a turbina saia da linha interrompendo abruptamente o fluxo de vapor para a turbina. As causas comuns para uma viagem de turbina são, por exemplo:

• a velocidade do eixo da turbina aumenta além do valor específico (por exemplo, 110%) – velocidade excessiva da turbina
• o equilíbrio da turbina é perturbado ou devido a altas vibrações
• falha do sistema de lubrificação
• baixo vácuo no condensador
• viagem manual de turbina de emergência

Após uma viagem de turbina, o reator geralmente é acionado diretamente de um sinal derivado do sistema. Por outro lado, o sistema de proteção do reator inicia um sinal de disparo da turbina sempre que ocorre o disparo do reator. Como ainda resta energia no sistema de suprimento de vapor nuclear (NSSS), o sistema automático de desvio de turbina acomodará o excesso de geração de vapor.

Princípio de Operação do Gerador de Turbina – Geração de Eletricidade

A maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP de vários estágios paralelos , um gerador principal e um excitador.  A turbina HP geralmente é uma turbina de acción de fluxo duplo (ou tipo de reação) com cerca de 10 estágios com pás encobertas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. Turbinas LP geralmente são turbinas de reação de fluxo duplo com cerca de 5-8 estágios (com pás encobertas e com pás independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da produção bruta de energia da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.

Do gerador de vapor às principais linhas de vapor – Evaporação

O sistema de conversão de energia do PWR típico  começa nos geradores de vapor em seus lados da carcaça. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de ~ 230 ° C a 500 ° F (fluido pré-aquecido por regeneradores) até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . O calor é transferido através das paredes desses tubos para o refrigerante secundário de baixa pressão localizado no lado secundário do trocador, onde o refrigerante evapora para vapor pressurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). O vapor saturado sai do gerador de vapor através de uma saída de vapor e continua até as principais linhas de vapor e depois para a turbina a vapor .

Essas principais linhas de vapor são reticuladas (por exemplo, através de um tubo coletor de vapor) perto da turbina para garantir que a diferença de pressão entre qualquer um dos geradores de vapor não exceda um valor específico, mantendo assim o equilíbrio do sistema e garantindo a remoção uniforme de calor do sistema de refrigeração do reator ( RCS). O vapor flui através das principais válvulas de isolamento da linha de vapor (MSIVs), que são muito importantes do ponto de vista da segurança, para a turbina de alta pressão. Directamente na entrada da turbina a vapor, existem válvulas de estrangulamento-stop e válvulas de controlo . O controle da turbina é obtido variando as aberturas dessas válvulas. No caso de uma viagem de turbina, o suprimento de vapor deve ser isolado muito rapidamente, geralmente na fração de segundo, para que as válvulas de parada operem com rapidez e confiabilidade.

Das válvulas de turbina ao condensador – expansão

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (MSR – ponto D). O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . 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, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina.

O vapor sem umidade é superaquecido pelo vapor de extração do estágio de alta pressão da turbina e pelo vapor diretamente das principais linhas de vapor. O vapor de aquecimento é condensado nos tubos e drenado para o sistema de água de alimentação.

O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Os estágios de alta pressão e baixa pressão da turbina geralmente estão no mesmo eixo para acionar um gerador comum, mas eles têm casos separados. O gerador principal produz energia elétrica, que é fornecida à rede elétrica.

Do Condensador às Bombas de Condensado – Condensação

O condensador principal condensa o vapor de exaustão dos estágios de baixa pressão da turbina principal e também do sistema de despejo de vapor. O vapor exaurido é condensado passando sobre os tubos que contêm água do sistema de resfriamento.

A pressão no interior do condensador é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, a temperatura da água no sistema de refrigeração) e por ejetores de vapor ou bombas de vácuo , que puxam os gases (não condensáveis) do condensador de superfície e os lançam para a atmosfera.

A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C ) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se origina do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento. Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

• Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
• Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

• temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
• temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

O vapor condensado (agora chamado de condensado) é coletado na câmara quente do condensador. A câmara quente do condensador também fornece uma capacidade de armazenamento de água, necessária para fins operacionais, como a composição da água de alimentação. O condensado (líquido saturado ou ligeiramente sub-resfriado) é entregue à bomba de condensado e depois bombeado por bombas de condensado para o desaerador através do sistema de aquecimento de água de alimentação. As bombas de condensado aumentam a pressão normalmente para cerca de p = 1-2 MPa. Geralmente, existem quatro bombas de condensado centrífugas com um terço da capacidade com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Normalmente, três bombas estão em operação e uma no backup.

Das bombas de condensado às bombas de água de alimentação – Regeneração de calor

O condensado das bombas de condensado passa então por vários estágios dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão , nos quais a temperatura do condensado é aumentada pela transferência de calor do vapor extraído das turbinas de baixa pressão. Normalmente, existem três ou quatro estágios de aquecedores de água de alimentação de baixa pressão conectados na cascata. O condensado sai dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C e entra no desaerador. O sistema principal de condensado também contém um sistema mecânico de purificação de condensado para remover impurezas. Os aquecedores de água de alimentação são auto-reguláveis. Isso significa que quanto maior o fluxo de água de alimentação, maior a taxa de absorção de calor do vapor e maior o fluxo de vapor de extração.

Existem válvulas de retenção nas linhas de vapor de extração entre os aquecedores de água de alimentação e a turbina. Essas válvulas de retenção impedem o fluxo reverso de vapor ou água em caso de disparo da turbina, o que causa uma rápida diminuição da pressão no interior da turbina. Qualquer água que entre na turbina dessa maneira pode causar sérios danos às pás da turbina.

Desaerador

Em geral, um desaerador é um dispositivo usado para a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos da água de alimentação para os geradores de vapor. O desaerador faz parte do sistema de aquecimento de água de alimentação. Geralmente está situado entre o último aquecedor de baixa pressão e as bombas de reforço de água de alimentação. Em particular, o oxigênio dissolvido no gerador de vapor pode causar sérios danos à corrosão, anexando-se às paredes da tubulação de metal e outros equipamentos metálicos e formando óxidos (ferrugem). Além disso, o dióxido de carbono dissolvido combina-se com a água para formar ácido carbônico que causa corrosão adicional.

No desaerador , o condensado é aquecido a condições saturadas, geralmente pelo vapor extraído da turbina a vapor. O vapor de extração é misturado no desaerador por um sistema de bicos de pulverização e bandejas em cascata entre as quais o vapor penetra. Quaisquer gases dissolvidos no condensado são liberados nesse processo e removidos do desaerador por ventilação para a atmosfera ou para o condensador principal. Diretamente abaixo do desaerador está o tanque de armazenamento de água de alimentação, em que uma grande quantidade de água de alimentação é armazenada em condições próximas à saturação. No evento de disparo da turbina, essa água de alimentação pode ser fornecida aos geradores de vapor para manter o inventário de água necessário durante o período transitório. O desaerador e o tanque de armazenamento geralmente estão localizados em uma elevação elevada no salão da turbina para garantir uma cabeça de sucção positiva líquida (NPSH) adequada na entrada das bombas de água de alimentação. O NPSH é usado para medir a proximidade de um fluido a condições saturadas. Baixar a pressão no lado da sucção pode induzir cavitação . Esse arranjo minimiza o risco de cavitação na bomba.

Das bombas de água de alimentação ao gerador de vapor

O sistema de bombas de água de alimentação geralmente contém três linhas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de água de alimentação com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Cada bomba de água de alimentação consiste no reforço e na bomba de água de alimentação principal . As bombas de água de alimentação (geralmente acionadas por turbinas a vapor) aumentam a pressão do condensado (~ 1MPa) para a pressão no gerador de vapor (~ 6,5MPa).

As bombas auxiliares fornecem a pressão de sucção principal necessária da bomba de água de alimentação. Essas bombas (ambas as bombas de água de alimentação) são normalmente bombas de alta pressão (geralmente do tipo bomba centrífuga ) que são aspiradas pelo tanque de armazenamento de água do desaerador, montado diretamente abaixo do desaerador, e fornecem as principais bombas de água de alimentação. A descarga de água das bombas de água de alimentação flui através dos aquecedores de água de alimentação de alta pressão , entra na contenção e depois flui para os geradores de vapor .

O fluxo de água de alimentação para cada gerador de vapor é controlado por válvulas reguladoras de água de alimentação ( FRVs ) em cada linha de água de alimentação. O regulador é controlado automaticamente pelo nível do gerador de vapor, fluxo de vapor e fluxo de água de alimentação.

Os aquecedores de água de alimentação de alta pressão são aquecidos pelo vapor de extração da turbina de alta pressão, HP Turbine. Os drenos dos aquecedores de água de alimentação de alta pressão são geralmente encaminhados para o desaerador.

A água de alimentação ( água 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) é bombeada para o gerador de vapor através da entrada de água de alimentação. No gerador de vapor, a água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de ~ 230 ° C 446 ° F até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . A água de alimentação é então evaporada e o vapor pressurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sai do gerador de vapor pela saída de vapor e continua até a turbina a vapor, completando assim o ciclo.

Princípio de Operação do Gerador de Turbina – Geração de Eletricidade

A maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP de vários estágios paralelos , um gerador principal e um excitador.  A turbina HP geralmente é uma turbina de acción de fluxo duplo (ou tipo de reação) com cerca de 10 estágios com pás encobertas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. Turbinas LP geralmente são turbinas de reação de fluxo duplo com cerca de 5-8 estágios (com pás encobertas e com pás independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da produção bruta de energia da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.

Do gerador de vapor às principais linhas de vapor – Evaporação

O sistema de conversão de energia do PWR típico  começa nos geradores de vapor em seus lados da carcaça. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de ~ 230 ° C a 500 ° F (fluido pré-aquecido por regeneradores) até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . O calor é transferido através das paredes desses tubos para o refrigerante secundário de baixa pressão localizado no lado secundário do trocador, onde o refrigerante evapora para vapor pressurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). O vapor saturado sai do gerador de vapor através de uma saída de vapor e continua até as principais linhas de vapor e depois para a turbina a vapor .

Essas principais linhas de vapor são reticuladas (por exemplo, através de um tubo coletor de vapor) perto da turbina para garantir que a diferença de pressão entre qualquer um dos geradores de vapor não exceda um valor específico, mantendo assim o equilíbrio do sistema e garantindo a remoção uniforme de calor do sistema de refrigeração do reator ( RCS). O vapor flui através das principais válvulas de isolamento da linha de vapor (MSIVs), que são muito importantes do ponto de vista da segurança, para a turbina de alta pressão. Directamente na entrada da turbina a vapor, existem válvulas de estrangulamento-stop e válvulas de controlo . O controle da turbina é obtido variando as aberturas dessas válvulas. No caso de uma viagem de turbina, o suprimento de vapor deve ser isolado muito rapidamente, geralmente na fração de segundo, para que as válvulas de parada operem com rapidez e confiabilidade.

Das válvulas de turbina ao condensador – expansão

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (MSR – ponto D). O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O alto teor 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, drenos de condensado são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. O vapor sem umidade é superaquecido pelo vapor de extração do estágio de alta pressão da turbina e pelo vapor diretamente das principais linhas de vapor.

O vapor de aquecimento é condensado nos tubos e drenado para o sistema de água de alimentação. O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Os estágios de alta pressão e baixa pressão da turbina geralmente estão no mesmo eixo para acionar um gerador comum, mas eles têm casos separados. O gerador principal produz energia elétrica, que é fornecida à rede elétrica.

Do Condensador às Bombas de Condensado – Condensação

O condensador principal condensa o vapor de exaustão dos estágios de baixa pressão da turbina principal e também do sistema de despejo de vapor. O vapor exaurido é condensado passando sobre os tubos que contêm água do sistema de resfriamento.

A pressão no interior do condensador é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, a temperatura da água no sistema de refrigeração) e por ejetores de vapor ou bombas de vácuo , que puxam os gases (não condensáveis) do condensador de superfície e os lançam para a atmosfera.

A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C ) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se origina do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento. Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

• Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
• Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

• temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
• temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

O vapor condensado (agora chamado de condensado) é coletado na câmara quente do condensador. A câmara quente do condensador também fornece uma capacidade de armazenamento de água, necessária para fins operacionais, como a composição da água de alimentação. O condensado (líquido saturado ou ligeiramente sub-resfriado) é entregue à bomba de condensado e depois bombeado por bombas de condensado para o desaerador através do sistema de aquecimento de água de alimentação. As bombas de condensado aumentam a pressão normalmente para cerca de p = 1-2 MPa. Geralmente, existem quatro bombas de condensado centrífugas com um terço da capacidade com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Normalmente, três bombas estão em operação e uma no backup.

Das bombas de condensado às bombas de água de alimentação – Regeneração de calor

O condensado das bombas de condensado passa então por vários estágios dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão , nos quais a temperatura do condensado é aumentada pela transferência de calor do vapor extraído das turbinas de baixa pressão. Normalmente, existem três ou quatro estágios de aquecedores de água de alimentação de baixa pressão conectados na cascata. O condensado sai dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C e entra no desaerador. O sistema principal de condensado também contém um sistema mecânico de purificação de condensado para remover impurezas. Os aquecedores de água de alimentação são auto-reguláveis. Isso significa que quanto maior o fluxo de água de alimentação, maior a taxa de absorção de calor do vapor e maior o fluxo de vapor de extração.

Existem válvulas de retenção nas linhas de vapor de extração entre os aquecedores de água de alimentação e a turbina. Essas válvulas de retenção impedem o fluxo reverso de vapor ou água em caso de disparo da turbina, o que causa uma rápida diminuição da pressão no interior da turbina. Qualquer água que entre na turbina dessa maneira pode causar sérios danos às pás da turbina.

Desaerador

Em geral, um desaerador é um dispositivo usado para a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos da água de alimentação para os geradores de vapor. O desaerador faz parte do sistema de aquecimento de água de alimentação. Geralmente está situado entre o último aquecedor de baixa pressão e as bombas de reforço de água de alimentação. Em particular, o oxigênio dissolvido no gerador de vapor pode causar sérios danos à corrosão, anexando-se às paredes da tubulação de metal e outros equipamentos metálicos e formando óxidos (ferrugem). Além disso, o dióxido de carbono dissolvido combina-se com a água para formar ácido carbônico que causa corrosão adicional.

No desaerador , o condensado é aquecido a condições saturadas, geralmente pelo vapor extraído da turbina a vapor. O vapor de extração é misturado no desaerador por um sistema de bicos de pulverização e bandejas em cascata entre as quais o vapor penetra. Quaisquer gases dissolvidos no condensado são liberados nesse processo e removidos do desaerador por ventilação para a atmosfera ou para o condensador principal. Diretamente abaixo do desaerador está o tanque de armazenamento de água de alimentação, em que uma grande quantidade de água de alimentação é armazenada em condições próximas à saturação. No evento de disparo da turbina, essa água de alimentação pode ser fornecida aos geradores de vapor para manter o inventário de água necessário durante o período transitório. O desaerador e o tanque de armazenamento geralmente estão localizados em uma elevação elevada no salão da turbina para garantir uma cabeça de sucção positiva líquida (NPSH) adequada na entrada das bombas de água de alimentação. O NPSH é usado para medir a proximidade de um fluido a condições saturadas. Baixar a pressão no lado da sucção pode induzir cavitação . Esse arranjo minimiza o risco de cavitação na bomba.

Das bombas de água de alimentação ao gerador de vapor

O sistema de bombas de água de alimentação geralmente contém três linhas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de água de alimentação com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Cada bomba de água de alimentação consiste no reforço e na bomba de água de alimentação principal . As bombas de água de alimentação (geralmente acionadas por turbinas a vapor) aumentam a pressão do condensado (~ 1MPa) para a pressão no gerador de vapor (~ 6,5MPa).

As bombas auxiliares fornecem a pressão de sucção principal necessária da bomba de água de alimentação. Essas bombas (ambas as bombas de água de alimentação) são normalmente bombas de alta pressão (geralmente do tipo bomba centrífuga ) que são aspiradas pelo tanque de armazenamento de água do desaerador, montado diretamente abaixo do desaerador, e fornecem as principais bombas de água de alimentação. A descarga de água das bombas de água de alimentação flui através dos aquecedores de água de alimentação de alta pressão , entra na contenção e depois flui para os geradores de vapor .

O fluxo de água de alimentação para cada gerador de vapor é controlado por válvulas reguladoras de água de alimentação ( FRVs ) em cada linha de água de alimentação. O regulador é controlado automaticamente pelo nível do gerador de vapor, fluxo de vapor e fluxo de água de alimentação.

Os aquecedores de água de alimentação de alta pressão são aquecidos pelo vapor de extração da turbina de alta pressão, HP Turbine. Os drenos dos aquecedores de água de alimentação de alta pressão são geralmente encaminhados para o desaerador.

A água de alimentação ( água 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) é bombeada para o gerador de vapor através da entrada de água de alimentação. No gerador de vapor, a água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de ~ 230 ° C 446 ° F até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . A água de alimentação é então evaporada e o vapor pressurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sai do gerador de vapor pela saída de vapor e continua até a turbina a vapor, completando assim o ciclo.

Eficiência térmica de turbinas a vapor

Em geral, a eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor é definida 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 . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q _H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q _C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:

Essa é uma fórmula muito útil, mas aqui expressamos a eficiência térmica usando a primeira lei em termos de entalpia .

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D ) O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), este motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

= 1 – T _frio / T _quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K). Mas a usina nuclear é o verdadeiro motor térmico , no qual os processos termodinâmicos são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico e perdas de calor causam mais perdas de eficiência.

Para calcular a eficiência térmica do ciclo Rankine mais simples (sem reaquecimento), os engenheiros usam a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia e não em energia interna.

A primeira lei em termos de entalpia é:

dH = dQ + Vdp

Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho,   Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto, como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

É óbvio que será muito útil na análise de ambos os ciclos termodinâmicos usados ​​na engenharia de energia, ou seja, no ciclo de Brayton e no ciclo de Rankine.

A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. Ele é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com o volume específico e a energia interna específica . A eficiência térmica desse ciclo simples de Rankine e em termos de entalpias específicas seria:

É uma equação muito simples e, para determinar a eficiência térmica, você pode usar os dados das tabelas de vapor .

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%), de modo que são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. O motivo está na temperatura do vapor relativamente baixa ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperaturado vapor. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%.

Causas de ineficiência

Como foi discutido, uma eficiência pode variar entre 0 e 1. Cada mecanismo térmico é de alguma forma ineficiente. Essa ineficiência pode ser atribuída a três causas.

• Irreversibilidade de processos . Existe um limite superior teórico geral para a eficiência da conversão de calor em trabalho em qualquer motor térmico. Esse limite superior é chamado de eficiência de Carnot . De acordo com o princípio Carnot , nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor térmico Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura. Por exemplo, quando o reservatório quente tem T _quente de 400 ° C (673K) e T _frio de cerca de 20 ° C (293K), a eficiência máxima (ideal) será: = 1 – T _frio / T _quente = 1 – 293 / 673 = 56%. Mas todos os processos termodinâmicos reais são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Portanto, os motores térmicos devem ter eficiências mais baixas do que os limites de eficiência devido à irreversibilidade inerente ao ciclo dos motores térmicos que utilizam.
• Presença de fricção e perdas de calor. Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas dos componentes individuais. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico , perdas de calor e perdas no processo de combustão causam mais perdas de eficiência.
• Ineficiência do projeto . Finalmente, a última e também importante fonte de ineficiências provém dos compromissos assumidos pelos engenheiros ao projetar um motor térmico (por exemplo, usina). Eles devem considerar o custo e outros fatores no design e operação do ciclo. Como exemplo, considere um projeto do condensador nas usinas termelétricas. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

Melhoria da eficiência térmica – ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são:

Ciclo de Rankine – Problema com Solução

Vamos assumir o ciclo Rankine , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns em usinas termelétricas. Nesse caso, assuma um ciclo simples, sem reaquecimento e sem a turbina a vapor de condensação funcionando com vapor saturado  (vapor seco). Nesse caso, a turbina opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (ponto 3). O vapor sai deste estágio da turbina a uma pressão de 0,008 MPa, 41,5 ° C e x = ??? (ponto 4)

Calcular:

1. a qualidade do vapor do vapor de saída
2. a diferença de entalpia entre estes dois estados (3 → 4), a qual corresponde ao trabalho realizado pelo vapor, W _t .
3. a diferença de entalpia entre estes dois estados (1 → 2), que corresponde ao trabalho feito por bombas, W _P .
4. a diferença de entalpia entre esses dois estados (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor
5. a eficiência termodinâmica deste ciclo e compare esse valor com a eficiência de Carnot

1)

Como não sabemos a qualidade exata do vapor de saída, precisamos determinar esse parâmetro. O estado 4 é fixado pela pressão p ₄ = 0,008 MPa e o fato de que a entropia específica é constante para a expansão isentrópica (s ₃ = s ₄ = 5,89 kJ / kgK para 6 MPa ). A entropia específica da água líquida saturada (x = 0) e do vapor seco (x = 1) pode ser selecionada nas tabelas de vapor . No caso de vapor úmido, a entropia real pode ser calculada com a qualidade do vapor, x, e as entropias específicas de água líquida saturada e vapor seco:

s ₄ = s _v x + (1 – x) s _l              

Onde

s ₄ = entropia de vapor úmido (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

s _v = entropia do vapor “seco” (J / kg K) = 8,227 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

s _l = entropia de água líquida saturada (J / kg K) = 0,592 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

A partir desta equação, a qualidade do vapor é:

x ₄ = ( s ₄ – s _l ) / ( s _v – s _l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

2)

A entalpia para o estado 3 pode ser coletada diretamente das tabelas de vapor, enquanto a entalpia para o estado 4 deve ser calculada usando a qualidade do vapor:

h _{3, v} = 2785 kJ / kg

h _{4, molhado} = h _{4, v} x + (1 – x) h _{4, l}  = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Então o trabalho realizado pelo vapor, W _T, é

W _T = Δh = 945 kJ / kg

3)

A entalpia para o estado 1 pode ser obtida diretamente das tabelas de vapor:

h _{1, l} = 174 kJ / kg

O estado 2 é fixado pela pressão p ₂ = 6,0 MPa e pelo fato de a entropia específica ser constante para a compressão isentrópica (s ₁ = s ₂ = 0,592 kJ / kgK para 0,008 MPa ). Para esta entropia s ₂ = 0,592 kJ / kgK ep ₂ = 6,0 MPa, encontramos h _{2, sub-resfriado} em tabelas de vapor para água comprimida (usando interpolação entre dois estados).

h _{2, sub-resfriado} = 179,7 kJ / kg

Então, o trabalho realizado pelas bombas, W _P, é

W _P = Δh = 5,7 kJ / kg

4)

A diferença de entalpia entre (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor, é simplesmente:

Q _add = h _{3, v}  – h _{2, sub-resfriado} = 2785 – 179,7 =   2605,3 kJ / kg

Observe que, não há regeneração de calor neste ciclo. Por outro lado, a maior parte do calor adicionado é para a entalpia da vaporização (isto é, para a mudança de fase).

5)

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), este motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

η _Carnot = 1 – T _frio / T _quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K).

A eficiência termodinâmica deste ciclo pode ser calculada pela seguinte fórmula:

assim
η _th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%

Condução Térmica – Condução Térmica

A condução térmica , também chamada de condução térmica , ocorre dentro de um corpo ou entre dois corpos em contato sem o envolvimento do fluxo de massa e da mistura. É a troca microscópica direta da energia cinética das partículas através da fronteira entre dois sistemas. A transferência de calor por condução depende da “força” motriz da diferença de temperatura e da condutividade térmica (ou da resistência à transferência de calor). A condutividade térmica depende da natureza e das dimensões do meio de transferência de calor. Todos os problemas de transferência de calor envolvem a diferença de temperatura , a geometriae as propriedades físicas do objeto que está sendo estudado. Em problemas de transferência de calor por condução, o objeto em estudo geralmente é sólido.

Microscopicamente, esse modo de transferência de energia é atribuído ao fluxo livre de elétrons dos níveis de energia mais alto para o mais baixo, vibração da rede e colisão molecular . Considere um bloco de pedra  em alta temperatura, que consiste em átomos que oscilam intensamente em torno de suas posições médias. A baixas temperaturas , os átomos continuam a oscilar, mas com menos intensidade .Se um bloco de pedra mais quente é colocado em contato com um bloco mais frio, os átomos intensamente oscilantes na borda do bloco mais quente emitem sua energia cinética para os átomos menos oscilantes na borda do bloco frio. Nesse caso, há transferência de energia entre esses dois blocos e o calor flui do bloco mais quente para o mais frio por essas vibrações aleatórias. A visão moderna é atribuir a transferência de energia a ondas reticuladas induzidas pelo movimento atômico. Nos isoladores elétricos, a transferência de energia é exclusivamente através dessas ondas de treliça. Em um condutor, isso também se deve ao movimento de translação dos elétrons livres.

Veja também: Lei Zeroth da Termodinâmica

Em geral, os metais são geralmente bons condutores de energia térmica . Está intimamente associado à sua boa condutividade elétrica . Para metais, a condutividade térmica é bastante alta e os metais que são os melhores condutores elétricos também são os melhores condutores térmicos. Isto é devido à maneira como os metais se ligam quimicamente. As ligações metálicas possuem elétrons em movimento livre ( elétrons livres) que transferem energia térmica rapidamente através do metal. O fluido de elétrons de um sólido metálico condutor conduz a maior parte do fluxo de calor através do sólido. O fluxo de fônon ainda está presente, mas carrega menos energia. Esses mecanismos de condução térmica serão discutidos mais adiante.

Lei de Fourier de condução térmica

Os processos de transferência de calor podem ser quantificados em termos de equações de taxa apropriadas. A equação da taxa neste modo de transferência de calor é baseada na lei de condução térmica de Fourier . Esta lei estabelece que a taxa de tempo de transferência de calor através de um material é proporcional ao gradiente negativo na temperatura e à área, perpendicularmente àquele gradiente, através do qual o calor flui. Sua forma diferencial é:

Da mesma forma, como a lei de Fourier determina o fluxo de calor através de uma laje, ela também pode ser usada para determinar a diferença de temperatura, quando q é conhecido. Isso pode ser usado para o cálculo da temperatura no centro do pellet de combustível, como será mostrado nas seções a seguir.

Equação de Condução de Calor

Nas seções anteriores, tratamos especialmente da transferência de calor unidimensional em estado estacionário, que pode ser caracterizada pela lei de Fourier de condução de calor. Mas sua aplicabilidade é muito limitada. Esta lei pressupõe a transferência de calor em estado estacionário através de um corpo plano (observe que a lei de Fourier também pode ser derivada para coordenadas cilíndricas e esféricas), sem fontes de calor . É simplesmente a equação da taxa neste modo de transferência de calor, onde o gradiente de temperatura é conhecido.

Mas um grande problema na maioria das análises de condução é determinar o campo de temperatura em um meio resultante das condições impostas aos seus limites. Na engenharia, temos que resolver problemas de transferência de calor envolvendo diferentes geometrias e condições diferentes, como um elemento de combustível nuclear cilíndrico, que envolve fonte de calor interna ou a parede de uma contenção esférica. Esses problemas são mais complexos do que as análises planares que fizemos nas seções anteriores. Portanto, esses problemas serão o assunto desta seção, na qual a equação de condução de calor será introduzida e resolvida.

Veja também: Equação de calor

Equação de Condução de Calor – Forma Geral

A equação de condução de calor é uma equação diferencial parcial que descreve a distribuição de calor (ou o campo de temperatura ) em um determinado corpo ao longo do tempo. O conhecimento detalhado do campo de temperatura é muito importante na condução térmica através de materiais. Uma vez que essa distribuição de temperatura é conhecida, o fluxo de calor de condução em qualquer ponto do material ou em sua superfície pode ser calculado pela lei de Fourier .

A equação do calor é derivada da lei de Fourier e da conservação de energia . A lei de Fourier afirma que a taxa de tempo de transferência de calor através de um material é proporcional ao gradiente negativo na temperatura e à área, perpendicularmente àquele gradiente, através do qual o calor flui.

Uma mudança na energia interna por unidade de volume no material, ΔQ, é proporcional à mudança na temperatura, Δu. Isso é:

∆Q = ρ.c _p .∆T

Forma geral

Usando essas duas equações, podemos derivar a equação geral de condução de calor:

Essa equação também é conhecida como equação de Fourier-Biot e fornece a ferramenta básica para análise de condução de calor. A partir de sua solução, podemos obter o campo de temperatura em função do tempo.

Em palavras, a equação de condução de calor afirma que:

Em qualquer ponto do meio, a taxa líquida de transferência de energia por condução em um volume unitário mais a taxa volumétrica de geração de energia térmica deve ser igual à taxa de variação da energia térmica armazenada dentro do volume.

Veja também: Difusividade térmica

Exemplo – Condução térmica em barra de combustível

A maioria dos PWRs usa o combustível de urânio , que está na forma de dióxido de urânio . O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa. Por outro lado, o dióxido de urânio tem um ponto de fusão muito alto e um comportamento bem conhecido. A UO ₂ é prensada em pastilhas cilíndricas , essas pastilhas são então sinterizadas no sólido.

Esses pellets cilíndricos são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (ou pino de combustível), feita de ligas de zircônio devido à sua seção transversal de absorção muito baixa (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível .

Veja também:  Condução térmica de dióxido de urânio

O comportamento térmico e mecânico dos pellets  e barras de combustível constitui uma das três principais disciplinas do projeto. O combustível nuclear é operado sob condições muito inóspitas (térmica, radiação, mecânica) e deve suportar mais do que as condições normais de operação. Por exemplo, as temperaturas no centro dos pellets de combustível atingem mais de 1000 ° C (1832 ° F) acompanhadas por liberações de gás de fissão. Portanto, o conhecimento detalhado da distribuição de temperatura em uma única barra de combustível é essencial para a operação segura do combustível nuclear. Nesta seção, estudaremos a equação de condução de calor em coordenadas cilíndricasusando a condição limite de Dirichlet com determinada temperatura da superfície (ou seja, usando a condição limite de Dirichlet). A análise abrangente do perfil de temperatura da barra de combustível será estudada em seção separada.

Temperatura na linha central de um pellet de combustível

Considere o pellet de combustível com raio r _U = 0,40 cm , no qual há geração uniforme e constante de calor por unidade de volume, q _V [W / m ³ ] . Em vez da taxa de calor volumétrica q _V [W / m ³ ], os engenheiros costumam usar a taxa de calor linear, q _L [W / m] , que representa a taxa de calor de um metro da barra de combustível. A taxa linear de calor pode ser calculada a partir da taxa volumétrica de calor por:

A linha central é tomada como a origem da coordenada r. Devido à simetria na direção z e na direção azimutal, podemos separar as variáveis ​​e simplificar esse problema para um problema unidimensional . Assim, resolveremos apenas a temperatura em função do raio T (r) . Para condutividade térmica constante , k, a forma apropriada da equação de calor cilíndrica é:

A solução geral desta equação é:

onde C ₁ e C ₂ são as constantes de integração.

Calcule a distribuição de temperatura, T (r) , neste sedimento de combustível, se:

• as temperaturas na superfície do sedimento de combustível são T _U = 420 ° C
• raio da pastilha de combustível r _U = 4 mm .
• a condutividade média do material é k = 2,8 W / mK (corresponde ao dióxido de urânio a 1000 ° C)
• a taxa de calor linear é q _L = 300 W / cm e, portanto, a taxa de calor volumétrica é q _V = 597 x 10 ⁶ W / m ³

Neste caso, a superfície é mantida a temperaturas dadas T _U . Isso corresponde à condição de limite de Dirichlet . Além disso, esse problema é termicamente simétrico e, portanto, também podemos usar a condição de contorno de simetria térmica . As constantes podem ser avaliadas usando a substituição na solução geral e têm a forma:

A distribuição de temperatura resultante e a temperatura da linha central (r = 0) (máxima) neste sedimento cilíndrico de combustível nessas condições de contorno específicas serão:

O fluxo de calor radial em qualquer raio, q _r [Wm ^-1 ], no cilindro pode, é claro, ser determinado usando a distribuição de temperatura e com a lei de Fourier . Observe que, com a geração de calor, o fluxo de calor não é mais independente de r.

∆T no pellet de combustível

O conhecimento detalhado da geometria, raio externo do sedimento de combustível, taxa de calor volumétrico e temperatura da superfície do sedimento (T _U ) determina ∆T entre a superfície externa e a linha central do sedimento de combustível. Portanto, podemos calcular a temperatura da linha central (T _{Zr, 2} ) simplesmente usando a conservação de energia entre o calor gerado no volume e o transferido para fora do volume:

A figura a seguir mostra a distribuição de temperatura no pellet de combustível em vários níveis de potência.

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A temperatura em um reator operacional varia de ponto a ponto dentro do sistema. Como consequência, há sempre uma vara de combustível e um volume local , que está mais quente  do que todo o resto. Para limitar esses locais quentes, os limites de potência máxima devem ser introduzidos. Os limites de potência máxima estão associados a uma crise de ebulição e às condições que podem causar o derretimento do pellet de combustível. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores à temperatura do revestimento do combustível e do sedimento de combustível. Acima dessas temperaturasexiste o perigo de o combustível ser danificado. Um dos principais objetivos no projeto de reatores nucleares é fornecer a remoção do calor produzido no nível de potência desejado, garantindo que a temperatura máxima do combustível e a temperatura máxima do revestimento estejam sempre abaixo desses valores predeterminados.