Turbinas

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1. INTRODUÇÃO
	A turbina a gás é definida como sendo uma máquina térmica, onde a energia potencial termodinâmica contida nos gases quentes provenientes de uma combustão é convertida em trabalho mecânico ou utilizada para propulsão. As turbinas a gás são máquinas tecnicamente muito complexas, com inúmeras partes móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e controle eletrônico visando basicamente a conversão da energia contida no combustível em potência de eixo.
	As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases quentes, produto da combustão, o que dispensa a utilização de um fluido de trabalho intermediário, como o vapor, ou outro fluido. Isto leva a unidades mais compactas, para os mesmos níveis de produção de potência. Não apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, assim não se recomenda a utilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas), pois podem comprometer elementos do equipamento.
	A turbina a gás experimentou progresso e crescimento fenomenais desde o início de seu desenvolvimento nos anos de 1930. As primeiras turbinas a gás fabricadas nos anos 1940 e 1950 tinham eficiências de ciclos simples de cerca de 17%, por causa da baixa eficiência do compressor e da turbina além da baixa temperatura na entrada da turbina em virtude das limitações metalúrgicas da época. Por isso, as turbinas a gás encontraram uso apenas limitado, apesar da sua versatilidade e capacidade de queimar uma variedade de combustíveis. Contudo, duas modificações da turbina a gás básica são capazes de aumentar o trabalho líquido produzido, sendo elas a expansão em múltiplos estágios com reaquecimento e a compressão em múltiplos estágios com inter resfriamento (ÇENGEL, 2013; SHAPIRO, 2009).
	Os esforços para melhorar a eficiência do ciclo se concentram em aumentar as temperaturas de entrada da turbina, aumentar a eficiência dos componentes das turbomáquinas e acrescentar modificações ao ciclo básico.
	O aumento das temperaturas de entrada na turbina tem sido a principal medida utilizada para melhorar a eficiência da turbina a gás. As temperaturas de entrada aumentaram de forma constante, e foram de cerca de 540ºC nos anos 1940 para mais de 1425ºC na década atual, conforme afirma Çengel (2013). Esses aumentos foram possíveis graças ao desenvolvimento de novos materiais e as inovadoras técnicas de resfriamento dos componentes essenciais, como revestimento das pás da turbina com camadas cerâmicas e seu resfriamento com o ar da descarga do compressor. 
	A manutenção de temperaturas altas na entrada da turbina combinada a uma técnica de resfriamento a ar exige que a temperatura de combustão seja mais alta para compensar o efeito do ar de resfriamento. Entretanto, temperaturas de combustão mais altas aumentam a quantidade de óxidos de nitrogênio, que são responsáveis pela formação de ozônio no nível do solo. O uso de vapor de água como refrigerante permitiu um aumento das temperaturas de entrada da turbina em até 100ºC, sem um aumento na temperatura de combustão. O vapor de água também é um meio de transferência de calor muito mais eficaz do que o ar.
	O desempenho das primeiras turbinas sofria bastante com as ineficiências das turbinas e dos compressores. Entretanto, o advento dos computadores e as técnicas avançadas de projeto auxiliado por computador possibilitaram projetar de forma mais adequada a aerodinâmica desses componentes com um mínimo de perdas. O aumento das eficiências das turbinas e dos compressores resultou em um aumento significativo na eficiência do ciclo. 
	Realizando modificações ao ciclo básico foi possível perceber que as ineficiências do ciclo das primeiras turbinas a gás praticamente dobraram com a incorporação da regeneração (ou recuperação) e do reaquecimento. Esses aperfeiçoamentos têm custo inicial e de operação maiores, e não podem ser justificados a menos que a diminuição nas despesas com combustível compense o aumento dos outros custos. 
	A primeira turbina a gás de uma usina elétrica foi instalada em 1949, em Oklahoma, como parte de uma usina com ciclo combinado. Ela foi construída pela General Eletric e produzia 3,5 MW de potência. A confiabilidade e a eficiência das turbinas a gás instaladas até a metade dos anos de 1970 eram ruins. No passado, a geração de energia elétrica para manutenção da carga básica era dominada por grandes usinas nucleares e de carvão. Entretanto, ao longo dos anos houve uma maior utilização das turbinas a gás natural, por causa de sua eficiência mais alta, características de emissão e da abundância no fornecimento do gás natural. Com isso, mais e mais fornecedores de serviços de eletricidade estão utilizando turbinas a gás para a produção de carga básica e energia para épocas de pico de demanda. Os custos de construção das usinas a turbina a gás representam aproximadamente metade dos custos de construção das usinas a vapor com combustível fóssil convencional, que foram as usinas primárias de carga básica até o início dos anos 1980. Mais da metade de todas as usinas cuja instalação está prevista para um futuro próximo deve ser dos tipos turbina a gás ou uma combinação de turbina a gás e vapor (ÇENGEL, 2013).
	Uma turbina a gás fabricada pela General Eletric no início dos anos 1990 gerava 135,7MW de potência líquida, a uma eficiência térmica de 33% em operação no modo de ciclo simples. Uma turbina a gás mais recente, também fabricada pela General Eletric utiliza uma temperatura de entrada na turbina de 1425ºC e produz 282 MW e tinge uma eficiência térmica de 39,5% no modo de ciclo simples. Uma turbina a gás de pequena escala, construída pela empresa holandesa Opra Optimal Radial Turbine, pode funcionar a gás ou combustível líquido e, assim, substituir um motor a diesel de 16 toneladas. Ela produz 2 MW de potência e sua eficiência é de 26% em operação de ciclo simples, a qual eleva para 37% quando equipada com um regenerador (ÇENGEL, 2013).
2. TURBINAS A GÁS COM REAQUECIMENTO
Algumas instalações de potência a gás irão tirar proveito da quantidade de ar através da associação de turbinas de múltiplos estágios associadas a um combustor com reaquecimento. 
O funcionamento de uma turbina a gás com reaquecimento funciona do seguinte modo: 
Entrada: Fornecimento de ar em quantidades acima da necessária para a queima do combustível no combustor (necessário para o controle de temperatura). 
Controle: A temperatura dos produtos de combustão gasosos que entram na turbina deve ser limitada. 
Consequência: Gases que deixam o combustor contêm ar suficiente para suportar a combustão de combustível adicional. 
O reaquecimento é uma modificação que promove a expansão em múltiplos estágios. Uma turbina de múltiplos estágios atuando em conjunto com um combustor com reaquecimento entre os estágios tiram proveito do excesso de ar, além de possibilitarem o aumento do trabalho líquido por unidade de massa que escoa. Portanto, essa combinação pode promover o aumento substancial da eficiência térmica. 
O ciclo de funcionamento de uma turbina a gás com reaquecimento para uma turbina de dois estágios é mostrado a seguir: 
Figura 01: Ciclo de Funcionamento da Turbina a gás com Reaqueciemento
Fonte: SANTOS (2014).
	Segue também o Diagrama T-s representativo desse modelo: 
Figura 02: Diagrama T-s.
Fonte: SANTOS (2014).
Após a expansão do estado 3 para o estado “a” na primeira turbina, o gás passa por reaquecimento a pressão constante de “a” até “b”, sendo a segunda expansão completada de “b” até o estado 4 na segunda turbina. Como as linhas de pressão constante nesse tipo de diagrama divergem ligeiramente de acordo com o crescimento da entropia, o trabalho total da turbina de dois estágios é maior que aquele de uma única expansão do estado 3 para o estado 4’, o que mostra que o trabalho líquido de um ciclo com reaquecimento é maior do que o ciclo sem reaquecimento. 
É importante observar que a adição de trabalho líquido não implica necessariamente em aumento da eficiência térmica,uma vez que para isso seria necessária também maior adição de calor total. Entretanto, as possibilidades para o incremento dessa eficiência são reais, tendo-se em conta que a temperatura na saída da turbina é maior do que quando não há aquecimento, de modo que surge um potencial para regeneração. 
O reaquecimento ocorre entre os estágios de turbina. Essa é uma das modificações que promove o aumento de trabalho líquido produzido pela turbina. Esse modelo quando usado em conjunto com a regeneração influencia no aumento da eficiência térmica do ciclo. 
Por sua vez, um regenerador é um trocador de calor, que pré-aquece o ar que deixa o compressor antes de entrar no combustor, reduzindo a quantidade de combustível necessário para a queima que é realizada no combustor. A efetividade do regenerador é definida como sendo a razão entre o aumento da entalpia do ar que escoa pelo lado do compressor/regenerador e do aumento máximo teórico de entalpia.
2.1 Exemplo – Ciclo de Brayton com reaquecimento e regeneração
 Enunciado:
Considere um ciclo de ar- padrão ideal Brayton onde o ar entra no compressor a 100 kPa, 300 K e é comprimido até 1000 kPa. A temperatura na entrada do primeiro estágio da turbina é 1400 K. a expansão ocorre isoentrópicamente em dois estágios, com reaquecimento até 1400 K entre os estagio com pressão constante de300 kPa. Um regenerador que tem uma eficiência de 100 % também é incorporado ao ciclo. Determine a eficiência térmica.
Resolução:
Considerações: 
Cada componente da instalação de potência é analisado como um volume de controle em regime permanente. 
Os processos no compressor e na turbina são isoentrópicos.
Não existe perda de carga nos escoamentos através de trocadores de calor.
A efetividade do regenerador é de 100%.
Os efeitos das energias cinética e potencial são desprezados.
O fluido de trabalho é modelado como um gás ideal.
A relação de pressão através do compressor é 10.
Segue o diagrama esquemático para tal situação:
Figura 03: Diagrama Esquemático para um Ciclo de Brayton com Reaquecimento e Regeneração
Fonte: SANTOS (2014).
	A partir dos dados é possível determinar o diagrama T - s, como: 
Figura 04: Diagrama T - s para um Ciclo de Brayton com Reaquecimento e Regeneração
Fonte: SANTOS (2014)
	Inicialmente busca-se determinar a entalpia especifica em casa estado. 
	No estado 1, onde a temperatura é T1 = 300 K, pela tabela A-22 – Propriedades doa r como gás ideal – temos e .
	Sabe-se por definição que para um processo isentrópico, ou seja, adiabático e reversível, pode-se afirmar que 
onde, n e (n-1) representam os estados analisados. 	
	Portanto aplicando a equação 1 nos estados 1 e 2, é possível determinar e, utilizando a tabela A-22, determinar .
	Para determinar , é necessário realizar interpolação entre os valores tabelados de e anteriores e posteriores ao valor procurado, através da seguinte equação 
	 A temperatura no estado 4 é , pela tabela A-22, obtém-se e . Utilizando a equação 1 é possível determinar o valor de e então, pela tabela A-22, Segue
	Para determinar , , é necessário realizar interpolação entre os valores tabelados através da seguinte equação
Na etapa 7, aplica-se a equação 1 para obter e posteriormente . Sabendo que . Segue
	Para determinar , , é necessário realizar interpolação entre os valores tabelados através da seguinte equação
	Sabe-se que a eficiência do regenerador é de 100%, portanto .
	O cálculo da eficiência térmica deve levar em consideração o trabalho no compressor, o trabalho em cada turbina e o calor total adicionado. Assim, em uma base de massa unitária
3. COMPRESSÃO COM INTER-RESFRIAMENTO
O trabalho líquido produzido por uma turbina a gás também pode ser aumentado ao reduzir-se o trabalho fornecido ao compressor. Isto pode ser obtido através da compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento.  
O diagrama p-v da figura abaixo mostra dois possíveis caminhos para a compressão de um estado especificado 1 até uma pressão final especificada p2. 
Figura 05: Diagrama p-v para diferentes compressões
Fonte: MORAN (2011).
O caminho 1-2' é para uma compressão adiabática. Já o caminho 1-2 corresponde a uma compressão com transferência de calor do fluido de trabalho para as vizinhanças; ou seja, resfriamento do fluido. A área à esquerda de cada curva é igual à magnitude do trabalho por unidade de massa do respectivo processo. A área menor à esquerda do processo 1-2 indica que o trabalho desse processo é menor que o da compressão adiabática de 1 para 2'. Isto sugere que resfriar um gás durante a compressão é vantajoso em termos de necessidade de fornecimento de trabalho. 
Embora resfriar um gás à medida que ele é comprimido reduza o trabalho, na prática é difícil obter uma taxa de transferência de calor grande o suficiente para efetuar uma redução significativa de trabalho. Uma alternativa prática é separar as interações de calor e trabalho em processos distintos, permitindo que a compressão ocorra em estágios com trocadores de calor, chamados inter-resfriadores, cuja função é reduzir a temperatura do vapor na saída de um estágio antes de ser aspirado pelo compressor do estágio seguinte. A figura X ilustra um compressor de dois estágios com inter-resfriamento.  
Figura 06: Compressor de dois estágios com Inter-resfriamento.
Fonte: MORAN (2011).
Os diagramas p-v e T-s que acompanham a figura mostram os estados de processos internamente reversíveis. 
Figura 07: Diagramas para compressão com Inter-resfriamento.
Fonte: MORAN (2011).
O processo 1-c representa uma compressão isentrópica do estado 1 para o estado c, onde a pressão é pi 
No processo c-d o gás é resfriado a pressão constante da temperatura Tc para Td. 
O processo d-2 é uma compressão isentrópica  
O trabalho fornecido por unidade de vazão mássica é representado no diagrama p-v pela área sombreada 1-c-d-2-a-b-1. Sem o inter-resfriamento, o gás seria comprimido isentropicamente em um único estágio do estado 1 para o estado 2' e o trabalho seria representado pela área 1-2'-a-b-1. A área hachurada no diagrama p-v representa a redução do trabalho que seria obtida com o inter-resfriamento.  
Alguns compressores grandes têm vários estágios de compressão com inter-resfriamento entre os estágios. O uso de compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento em uma instalação de potência a gás aumenta o trabalho líquido produzido através da redução do trabalho de compressão. Porém, a compressão com inter-resfriamento, por si só, não aumentaria necessariamente a eficiência térmica de uma turbina a gás, porque a temperatura de admissão do ar no combustor seria reduzida. Uma temperatura mais baixa na entrada do combustor exigiria uma transferência de calor adicional para atingir a temperatura de entrada desejada na turbina. No entanto, a temperatura mais baixa na saída do compressor aumenta o potencial para regeneração, de modo que, quando o inter-resfriamento é usado em conjunto com a regeneração, pode resultar em aumento apreciável da eficiência térmica. Ainda, é importante ressaltar que essa solução implica no aumento do custo inicial da instalação quando comparado com um sistema de um único estágio. 
4. REAQUECIMENTO E INTER-RESFRIAMENTO
 
O uso de reaquecimento entre os estágios de turbina e o uso de inter-resfriameno entre os estágios de compressor resultam em dois ganhos para o processo global: o primeiro deles é o de trabalho líquido produzido, já que esse é aumentado, e o segundo ganho é o aumento do potencial para regeneração – e por esse fato, se tem que quando o reaquecimento e inter-resfriamento são combinados com regeneração, o desempenho ganha uma melhora considerável. Abaixo temos uma ilustração de um sistema combinado composto por reaquecimento, inter-resfriamento e regeneração: 
Figura 08: Turbina a gás regenerativa com inter-resfriamento e reaquecimento.
Fonte: MORAN (2011).
Essa turbina a gás possui dois estágios de compressão e dois estágios de turbina.O diagrama T-s abaixo indica as irreversibilidades no compressor e nos estágios de turbina. As perdas de carga que ocorreriam à medida que o fluido de trabalho passasse pelo inter-resfriador, pelo regenerador e pelos combustores não são mostradas. 
Figura 09: Diagrama T-s para turbina com reaquecimento e inter-resfriamento
Fonte: MORAN (2011).
5. APLICAÇÕES
As turbinas a gás em geral, podem ser encontradas em usinas termelétricas, jatos comerciais, helicópteros, navios, locomotivas, tanques de guerra, entre outros. São mais leves e compactas quando comparadas a turbina a vapor, além disso, geram maior potência, o que é vantajoso principalmente quando se trata de aeronaves, uma vez que a redução do peso das aeronaves tem como consequência numa maior eficiência e capacidade de carga. 
As turbinas a gás podem compor um sistema juntamente com o compressor e o combustor, formando o ciclo de Brayton. Como uma forma de otimizar o trabalho útil do ciclo é comum a utilização de múltiplas turbinas, múltiplos compressores e combustores com reaquecimento entre os estágios. Sendo que o reaquecimento entre os estágios da turbina permite o aumento do trabalho líquido, o inter-resfriamento entre os estágios do compressor acarreta num menor trabalho requerido e o regenerador pré-aquece o ar que deixa o compressor antes de entrar no combustor, assim reduz a quantidade de combustível queimada no combustor. 
Todos estes mecanismos associados num mesmo ciclo tiram proveito do excesso de ar, e o trabalho líquido por unidade de massa que escoa pode ser aumentado o que não acarreta necessariamente num aumento de eficiência (SANTOS, 2014).
6. REFERÊNCIAS
MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., 2009. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 800p.
SANTOS, P,H,D. Análise de sistemas térmicos. Modelagem dos ciclos de potência à gás, a vapor e combinados. UTFPR, 2014.
SIEMENS. Power up your business. Disponível em: https://www.siemens.com/global/en/home/products/energy/power-generation/gas-turbines.html#!/. Acesso em: 01 de fevereiro de 2018.
MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
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