Análise Termodinâmica de Turbinas a Vapor

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AUMENTO DE RENDIMENTO DE TRABALHO GERADO EM 
UMA TURBINA A VAPOR LIGADA A UM GERADOR 
 
Bruno Dittrich 
Emerson Vageleski 
Guilherme K. Colin Cecyn 
Gabriel G. Lenzi 
brunodittrich@hotmail.com 
emerson.vageleski@gmail.com 
gui-colin@hotmail.com 
gabriel_lenzi10@hotmail.com 
 
Termodinâmica – André Kühl 
Universidade da Região de Joinville 
Paulo Malschitzki, 10 – Campus Univ. UNIVILLE, Zona Industrial Norte, 89219-710, Santa 
Catarina, Joinville, Brasil. 
 
Resumo 
Neste trabalho são realizadas pesquisa de artigos e livros com o fim de obter conhecimento 
para aplicação de uma turbina à vapor mais rentável, ou seja, ter um melhor rendimento 
até com um tamanho reduzido. Foram realizadas análises termodinâmicas para obtenção 
de índices de desempenho de uma turbina à vapor, assim feito uma análise para um 
rendimento maior da mesma. A demanda por equipamentos mais rentáveis nas indústrias 
é grande, com isso, por meio deste artigo são levantados problemas à solucionar de perda 
de trabalho no ciclo. Através da análise feita, pode-se observar os pontos que podem haver 
melhorias para um sistema de turbinas, onde o trabalho gerado será transformado em 
energia, assim podendo gerar mais energia em um sistema de turbina já instalada, ou até 
diminuir tamanhos deste mesmo sistema. 
 
Palavras-chave: Turbina à Vapor, rendimento, Perda de Trabalho, Ciclo ideal, Geração 
de Energia. 
 
mailto:Brunodittrich@hotmail.com
mailto:Emerson.vageleski@gmail.com
mailto:Gui-colin@hotmail.com
mailto:Gabriel_lenzi10@hotmail.com
 
2. ANALISE TERMODINÂMICA 
1. INTRODUÇÃO 
Por anos foi-se aperfeiçoando as 
aplicações de turbinas a vapor a fim de 
gerar trabalho pela troca de calor 
entre um sistema composto por 
caldeira, turbina, condensador e 
bomba. A demanda industrial requer a 
cada dia um sistema de turbina com 
um rendimento maior, e com isso um 
tamanho reduzido, agregando a 
instalações mais fáceis. 
A turbina a vapor é uma máquina 
rotativa que utiliza o vapor da água 
para consumir sua energia térmica e a 
transformar em energia mecânica, 
sendo utilizada no acionamento de 
bombas, compressores e também 
geradores de energia elétrica. A maior 
parte da energia térmica gerada pela 
turbina é transformada em energia 
mecânica, apresentando assim uma 
alta eficiência, em especial turbinas de 
grande porte, pois elas apresentam 
vapor acionado a alta pressão. Outra 
vantagem está na questão do 
desbalanceamento mecânico, por 
possuir apenas peças com movimento 
de rotação a turbina fica livre de 
eventuais desbalanceamentos, as 
turbinas acionadas a vapor se 
apresentam no acionamento de 
maquinas que necessitam de torque 
constante e elevadas rotações, como 
por exemplo bombas, geradores de 
energia elétrica e também 
compressores rotativos. O consumo 
de lubrificante da turbina é baixo, 
pelo fato de apenas ser lubrificado os 
mancais principais e também um 
pouco do sistema de engrenagem. O 
óleo utilizado dentro da turbina para 
a sua lubrificação é refrigerado e 
filtrado, podendo assim ser 
reutilizado mais vezes e por um 
período maior. Portanto o custo para 
lubrificar uma turbina a vapor é baixo 
se for comparar com maquinas de 
potências parecidas. 
Através da analise termodinâmica se 
obtém índices de desempenho da 
turbina, podendo então melhorar o 
rendimento do ciclo de geração de 
trabalho. Foi abordado artigos sobre 
Turbinas à vapor afim de embasar 
nossos conhecimentos para uma 
analise termodinâmica e estrutural de 
um sistema de geração de energia a 
partir de turbinas de vapor. 
 
 
Se considerarmos desprezíveis as 
variações de energia cinética e 
potencial , pode-se escrever a primeira 
lei da termodinâmica de seguinte 
forma (BEJAN,1988): 
 
 
(1) 
Onde: 
 : taxa de transferência de calor no 
volume de controle (kW); 
 : potência no volume de controle (kW); 
he: entalpia específica na entrada do volume 
de controle (kJ/kg); 
 hs: entalpia Específica na saída do volume de 
controle (kJ/kg); 
 : vazão mássica entrando no volume de 
controle (kg/s); 
 : vazão mássica saindo do volume de 
controle (kg/s). 
 
 
Para o volume de controle a Segunda 
Lei da Termodinâmica em um 
processo de regime permanente 
pode ser representada pela equação: 
 
 
(2) 
 
Onde: 
 se : entropia específica na entrada 
do volume de controle (kJ/kgK); 
 ss : entropia específica na saída do 
volume de controle (kJ/kgK); 
Ti : temperatura superficial do 
volume de controle (K); 
 : taxa de geração de 
entropia no volume de controle 
(kW/K). 
Apesar de muito conhecida, a primeira 
lei da termodinâmica, não informa o 
que está sendo perdido de energia, e 
nem onde ocorre esta perda, então ela 
não consegue nos informar onde e 
porque aparecem certas 
irreversibilidades no processo. 
Portanto alguns autores como 
SZARGUT et al. (1988), KOTAS (1985) 
falam para adotar um modo diferente 
para o cálculo de exergia, que leva em 
consideração os termos físico-químico 
de uma mistura: 
 
 
(3) 
Onde: 
 μ0,i : potencial químico de referência 
do elemento (T0, P0); 
 μi : potencial químico do elemento na 
mistura (T0, P0); 
 xi : fração do componente na mistura. 
 
A eficiência termodinâmica baseada 
na primeira lei relaciona tanto o 
trabalho produzido por um volume de 
controle, quanto o trabalho realizado 
pelo mesmo em um procedimento 
hipotético isoentrópico sendo o 
mesmo estado de entrada até a 
mesma pressão em sua saída, e ele é 
dado pela seguinte equação: 
 
 
 
Onde: 
Δhiso: diferença entre as entalpias de 
entrada e saída do volume de controle, 
para processo isoentrópico (kJ/kg); 
 : vazão mássica (líquido ou 
vapor) no volume de controle 
(kg/s). 
 
Analisando e associando a exergia, 
tem se a segunda lei da 
termodinâmica. No qual deve-se ter 
uma comparação da taxa de 
transferência de trabalho real, com a 
variabilidade de exergia real no estado 
inicial do processo com a de saída, 
conforme a equação: 
 
 
 
(4) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para avaliar as eficiências da primeira e 
segunda lei, são calculadas da 
seguinte maneira : 
 
Onde: 
 hs : entalpia específica na saída da 
caldeira (kJ/kg); 
 
3. LEVANTAMENTO DE MELHORIA 
PARA UM SISTEMA DE TURBINA A 
VAPOR 
Um dos pontos mais discutidos para 
que possa ver as viabilidades de 
aplicação de melhorias em cima de um 
sistema de geração de energia a partir 
de turbina à vapor é este. Levanta-se a 
ideia de que a turbina a vapor, 
trabalhando em temperatura 
ambiente, sofre uma perda de calor, e 
com esta perda de calor, perde 
trabalho. Para uma aplicação sem 
perda de trabalho, o sistema teria de 
ser adiabático, ou seja, não ter troca de 
calor. 
 
 
(5) 
 
 
 
(6) 
 
(7) 
 he : entalpia específica na entrada da 
caldeira (kJ/kg); 
 bs: exergia específica na saída da 
caldeira (kJ/kg); 
 be: exergia específica na entrada da 
caldeira (kJ/kg); 
 : vazão mássica na saída da 
caldeira (kg/s); 
 : vazão mássica na entrada da 
caldeira (kg/s); 
 : vazão mássica de 
combustível consumido na caldeira 
(kg/s); 
 PCIcomb : poder calorífico inferior do 
combustível (kJ/kg). 
 
 
 
A Fig.1 apresenta um esquema de 
geração de energia, a partir de uma 
caldeira que alimenta uma turbina 
com vapor de água. A água entra na 
caldeira alimentada por combustível, 
que se transforma em vapor, indo para 
a turbina com uma alta Entalpia, 
fazendo seu eixo alimentar um 
gerador de energia, então gerando 
energia. 
Após o ciclo que gera energia, o vapor 
em média e baixa pressão passa por 
um condesador para transforma-lo 
novamente em água. 
As perdas de rendimento estão muito 
ligadas a troca de calor do sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Quanto maior a Entalpia do vapor ao 
entrar na turbina, maior será o 
rendimento da mesma. Então para issofoi levantado que uma melhoria com 
 
4. Ciclo de Rankine 
Em termodinámica conhece-se o ciclo 
ideal, como a maior referencia o ciclo 
de Carnot, onde uma máquina 
térmica, que seria capaz de 
transformar toda a energia fornecida 
em trabalho, obtendo um rendimento 
total (100%). Em uma máquina de 
Carnot, a quantidade de calor que é 
fornecida pela fonte de aquecimento e 
a quantidade cedida à fonte de 
resfriamento são proporcionais às 
suas temperaturas absolutas. Mas há o 
conhecimento que isto não passa de 
uma teoria, Para demonstrar que não 
seria possível, o engenheiro francês 
Nicolas Carnot (1796-1832) propôs 
uma máquina térmica teórica que se 
comportava como uma máquina de 
rendimento total, estabelecendo um 
um resultado satisfatório seria aplicar 
o ciclo de Rankine juntamente com um 
ciclo de superaquecimento. Sendo os 
dois métodos explicados a seguir. 
 
ciclo de rendimento máximo, que mais 
tarde passou a ser chamado Ciclo de 
Carnot. Assim como o ciclo de Carnot, 
o ciclo de Rankine ideal, o empregado 
nas centrais termoeléctrica, também 
tem uma ideia de (100%) de 
rendimento, mas porem com uma 
ideia inovadora, onde em seus compo-
nentes contem uma turbina a mais em 
conjunto com um aquecedor. O pro-
cesso de sobreaquecimento de modo 
geral faz com que eleve-se a 
temperatura média à qual se fornece 
calor ao ciclo, elevando assim a 
eficiência teórica. A primeira tur-
bina recebe o vapor da caldeira à alta 
pressão, liberando esse vapor direto a 
um aquecedor, que não deixa o vapor 
condensar, assim reaquecendo e 
liberando-o a segunda turbina para 
geração do trabalho. Fig. 2. 
 
Figura 2 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina
https://pt.wikipedia.org/wiki/Turbina
https://pt.wikipedia.org/wiki/Vapor
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Ciclo_rankine_reaq.jpg
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5. CICLO COM 
SUPERAQUECIMENTO 
 
Um ciclo com superaquecimento se 
baseia em um dispositivo de 
aquecimento após a saída do vapor da 
caldeira, onde durante o trajeto até a 
turbina será mais aquecido, assim 
chegando a uma entalpia maior, e 
promovendo um rendimento do 
trabalho consideravelmente maior. Fig 
3. 
É algo a se implantar em um sistema já 
montado com mais facilidade. É um 
sistema com poucas alterações e 
grandes resultados de resposta. 
 
 
Para comparação de resultados sem e 
com o ciclo com superaquecimento, 
teria de ser implantado em uma 
empresa com este tipo de sistema. 
Como não foi conseguido obter este 
tipo de resultados, as releituras de 
artigos puderam responder se esta 
alteração no sistema faz com que 
tenha resultados satisfatórios. 
De modo que esta aplicação ao 
problema questionado neste artigo 
seja totalmente cabível, com uma 
junção ao sistema do ciclo de rankine 
o processo de rendimento iria 
aumentar com uma grande proporção. 
 
 
Figura 3. 
 
 
5. RESULTADOS 
Com esta tema trabalhado, houve uma 
grande aquisição de conhecimento de 
funcionamento do sistema de turbinas 
à vapor. No mais os conhecimentos 
sobre as lei termodinâmicas aplicadas 
sobre este mesmo sistema também 
foram satisfatórios. 
Com relação a um Ciclo ideal obtido a 
partir desta análise, também se obteve 
um resultado desejado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6. REFERÊNCIAS 
KOTAS, T.J.; The Exergy Method of Thermal Plant Analysis; Ed. Krieger 
Publishing Co.; 328p.; Florida, USA; 1995. 
SZARGUT J., MORRIS, D.R., STEWARD, F.R.; Exergy Analysis of Thermal, 
Chemical and Metallurgical Process; Hemisphere Publishing Corporation; 
332 p.; New York; 1988. 
BEJAN, A.; Advanced Engineering Thermodynamics, John Wiley & Sons, 
New York, 850 p.; 1988. 
 Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, 
conversion, use Birkhäuser [S.l.] p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6. 
 Van Wylen 'Fundamentos da Termodinâmica' (ISBN 85-212-0327-6) 
FIOMARI, Marcelo Caldato, MASHIBA, Marcos Hideo da Silva, LIMA, Rodrigo dos 
Santos et al. Análise termodinâmica e termoeconômica de uma usina 
sucroalcooleira que produz excedente de energia para comercialização.. In: 
ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 6., 2006, Campinas.. 
Como comentado anteriormente, o 
método mais eficaz em rendimento 
será o ciclo de Rankine juntamente 
com um ciclo de superaquecimento, 
conforme ilustrado na Fig. 4. 
Com base nos resultados que deve ser 
medidos e, assim comprovados, não 
se tem o requerido recurso para esta 
mesma tarefa, mas como estudado, o 
desempenho do sistema de turbina 
iria melhorar consideravelmente. 
 
Figura 4. 
https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Wendell_H._Wiser&action=edit&redlink=1
http://books.google.com/books?id=UmMx9ixu90kC&pg=PA190&dq=electrical+power+generators+steam+percent&hl=en&ei=JppoTpVexNmBB4C72MkM&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=2&ved=0CDgQ6AEwATgK#v=onepage&q=steam&f=false
http://books.google.com/books?id=UmMx9ixu90kC&pg=PA190&dq=electrical+power+generators+steam+percent&hl=en&ei=JppoTpVexNmBB4C72MkM&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=2&ved=0CDgQ6AEwATgK#v=onepage&q=steam&f=false
https://pt.wikipedia.org/wiki/International_Standard_Book_Number
https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/978-0-387-98744-6
https://pt.wikipedia.org/wiki/Especial:Fontes_de_livros/8521203276