Turbinas a gás

Definição e Funcionamento da Turbina a Gás

As turbinas a gás são equipamentos considerados máquinas térmicas, que transformam a energia potencial termodinâmica presente nos gases da combustão, que ocorre no interior da mesma, em energia mecânica, energia esta que pode ser reaproveitada em qualquer outro processo. O termo gás diz respeito ao fluido de trabalho da turbina, que vai ser a mistura de gases resultantes da combustão.

Este equipamento é constituído por três partes: um compressor, uma camara de combustão e uma turbina. Estas partes vão funcionar em ciclo aberto, pois o fluido de trabalho, o ar, é recebida à pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são libertados de novo na atmosfera, sem que retornem ao equipamento.

O compressor vai comprimir o ar atmosférico até à camara de combustão, utilizando para isso parte do trabalho mecânico realizado pela turbina. Nesta fase há o aumento da pressão e temperatura do fluido.

O combustível que vai ser queimado na câmara de combustão vai aumentar a temperatura dos gases, e estes quando aquecidos entram na turbina e expandem-se, realizando assim trabalho mecânico, que vai acionar o compressor. O combustível pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GPL), gás de síntese, ou então líquido, como querosene, óleo diesel ou até outros óleos mais pesados.

Os gases de saída, como já foi referido, são libertados na atmosfera, o que vai fazer com que os mesmos reduzam a sua temperatura.

Explicação do funcionamento da turbina de gás em vídeo: https://youtu.be/zcWkEKNvqCA

Ciclo simples e ciclo combinado

Ciclo simples - o objetivo da instalação do equipamento gerador é a recuperação térmica.

Ciclo combinado - combinação de um sistema com turbinas a gás e um sistema com turbinas a vapor, onde os gases provenientes da turbina a gás, que advém da queima, podem ser utilizados numa queima suplementar através de uma caldeira de recuperação, pois ainda têm energia. Este ciclo tem vantagens a nível do aumento da eficiência, flexibilidade da produção de energia elétrica e ainda a redução de custos de funcionamento. O ciclo combinado não se trata de um processo de cogeração.

Classificação/Aplicações industriais da Turbina a Gás

As turbinas a gás são classificadas de acordo com a sua aplicação (aeroderivativas ou industrais), o projeto da câmara de combustão (tipo silo, anelar ou tubo anelar) e o respetivo número de eixos (eixo único ou multi-eixo).

As turbinas aeroderivativas, que são concebidas para fins aeronáuticos, produzem energia elétrica. Estas apresentam alta fiabilidade e alta potência, bem como uma maior versatilidade de operação, e o seu arranque não é um passo critico, comparando com outras turbinas a gás. Já as turbinas a gás industriais, concebidas, também, para a produção de eletricidade, são de elevada dimensão e com grande peso, requerendo a sua manutenção no local e de forma menos frequente.

Nas turbinas a gás em que a câmara de combustão é do tipo silo, estas apresentam a câmara na parte superior da turbina. Quando a câmara de combustão é anelar, esta é orientada axialmente em um cilindro montado em torno do eixo, com apenas um tubo de chama única, e normalmente empregues em turbinas aeroderivativas. No caso da câmara de combustão de tubo anelar, o design consiste numa série de tubos ao redor do eixo, distribuídos uniformemente, apresentando uma resistência estrutural melhor do que a do tipo anelar, mas com menores rendimentos.

Quando se fala do tipo de eixo, quando o eixo é único, o compressor, a turbina e o gerador de expansão giram em solidariedade com um único eixo de rotação, normalmente empregue em grandes turbinas de produção de energia elétrica. Por outro lado, quando temos o tipo de multi-eixo, a turbina divide-se em duas secções, a primeira turbina ou de alta pressão, está ligada ao compressor axial que lhe fornece a energia necessária para o seu funcionamento. A segunda secção partilha o eixo com o gerador, aproveitando a energia transmitida na produção de electricidade. Esta tecnologia é utilizada em turbinas aeroderivativas e de pequena potência, e oferece um melhor desempenho contra as variações de carga.

Para além das aplicações referidas, aeronáutica e industrial, estas podem também ser empregues em autocarros, helicópteros, comboios, tanques de guerra, bombas e compressores (externos ao ciclo da turbina).

Ciclo termodinâmico de uma turbina a Gás

Considerando a turbina a gás uma maquina térmica ideal, o ciclo termodinâmico que ocorre é denominado de ciclo de Brayton, onde é necessário ter em conta algumas considerações:

Ø  O fluido de trabalho é um gás perfeito e que apresenta um calor específico e composição contantes;

Ø  Os processos de compressão e expansão são reversíveis, isotrópicos e adiabáticos;

Ø  As parcelas de energia cinética são desprezíveis;

Ø  Não existem perdas de pressão;

Ø  O fluxo de massa é constante em todo o ciclo;

Ø  O processo de combustão é representado por um processo de transferência de calor a partir de uma fonte quente;

Ø  O ciclo é completado pela transferência de calor para o meio ambiente;

Ø  Todos os processos são reversíveis.

Estes diagramas descrevem os quatro estágios presentes no ciclo, começando com uma compressão isotrópica e adiabática, com um aumento de temperatura, e, consequentemente, um aumento de entalpia (1-2), seguida de uma adição de calor, a uma pressão constante (2-3), depois uma expansão, sem variação de entropia, onde vai ser gerada potência mecânica, através do trabalho exercido sobre as palhetas, reduzindo a pressão e a temperatura(3-4) e, por fim, uma retirada de calor, sendo que esta etapa não ocorre fisicamente, é representada pela transferência de calor do fluido para o ambiente (4-1).

A potência que vai ser extraída através do eixo da turbina vai ser usada para acionar o compressor, bem como para outros equipamentos.

Projeto da Turbina a Gás

O projeto de uma turbina a Gás apresenta dois parâmetros, a taxa de compressão, r_c, e o coeficiente de temperatura, t. Dados por: