Antônio Ricardo D’araújo Amâncio Oliveira
Keila Menezes
Pedro Henrique Lodde Leal
Ricco Cardoso de Mello Santos
Vagner Sobral Coelho
Histórico, aplicações e comparativo de eficiência
das turbinas
Salvador,
2010
INSTITUTO FEDERAL
DE EDUCAÇÃO, CIENCIA E TECNOLOGIA DA BAHIA
Antônio Ricardo D’araújo Amâncio Oliveira
Keila Menezes
Pedro Henrique Lodde Leal
Ricco Cardoso de Mello Santos
Vagner Sobral Coelho
|
Salvador,
2010
Resumo
Assim como todos os equipamentos e outros objetos
existentes nos dias de hoje, muitos deles embora sejam tidos como novos, já
‘nasceram velhos’ pois são apenas aprimoramentos de ideias que alguem já teve
no passado. Com as turbinas não é diferente para tanto este documento tem por
encargo expor a historiografia do referido equipamento tão utilizado no ambito
industrial, dando destaque tambem as aplicações e ao comparativo de eficiencia
das mesmas.
Sumário
Introdução
Histórico
Aplicação
Comparativo de eficiência
Conclusão
Referências bibliográficas
1.0
Introdução
A historicidade das
turbinas é um aspecto muito importante a ser observado de tais equipamentos.
Abordar-se-á a partir de então aspectos históricos desses equipamentos a partir
de 2000 a.C. (antes de Cristo) até 2009 e tambem será realizado uma explanação
sobre a aplicação de cada tipo de turbina, concluindo com um comparativo entre
algumas característica dos diferentes tipos de turbina.
2.0 Histórico
Turbina é um equipamento construído para captar e converter energia mecânica e
térmica contida em um fluido, em trabalho de eixo. A sua história é um aspecto muito
interessante desses equipamentos a ser analisado pois, embora as turbinas
propriamente ditas só tenham surgido no período das primeiras décadas que
sucederam a revolução industrial, muitas coisas como: as ideias, os princípios,
os mecanismos são resultado de séculos de evolução geralmente situados antes da
revolução industrial. Isso torna ainda mais rica e interessante a história
desses equipamentos de tanta utilidade, sobretudo no meio industrial, nos dias
de hoje.
Agora daremos início a nossa viagem no túnel do tempo
da história das turbinas, ressaltando que daremos prioridade e foco aos
aspectos históricos das turbinas: a vapor, a gás, hidráulica, eólica,
aeronáutica.
A
história das turbinas começa em algum lugar da história antes de cristo pois os
mesopotâmicos e egípcios já tinham algumas tecnologias relacionada ao
aproveitamento da energia cinética da água. Mas para todos os efeitos o
primeiro mecanismo que pode ser considerado antecessor da turbina hidráulica
atual: a roda d’água com paletas abertas ou externas a roda. A instalação da
mesma era feita de modo que a água que passasse por baixo da roda a
movimentasse.
O
antepassado da atual turbina a vapor surge no ano 60 d.C. com a invenção do
herói que nada mais era que um brinquedo composto por uma câmara com água a ser
vaporizada, dois tubos de ascendência de vapor perpendiculares a superfície da
câmara, um pivot que sustenta uma esfera giratória e outros dois tubos presos a
esfera em forma de curva de 90º por onde sai o vapor que vai à esfera.
Entre
os séculos X e XI os moinhos de vento estavam em grande uso e podem ser
considerados como antecessores das turbinas eólicas que existem atualmente.
Eles eram usado para elevar água, moagem de grãos entre outras aplicações.
Por
volta de 1500 foi desenvolvida a roda d’água em que a água movimentava a roda
vinda de cima e as paletas eram internas à roda formando cavidades para que a
água se depositasse e empurrasse a roda. E também, Leonardo da Vince cria a
chimney jack uma espécie de sistema de tiragem para fornos onde o ar quente que
subia da chama movimentava um rotor preso a um eixo que era conectado a um
sistema de engrenagens que girava um outro eixo, próximo a chama, onde esta
espetado algum animal assando o por completo e sem precisar que alguém o
ficasse virando toda hora. Cinquenta anos depois (1550) J. Besson descreve a primeira turbina axial de reação com pás de madeira.
Pouco tempo depois, ainda no século XVI, é criado um
modelo de turbina hidráulica em que são agregadas características dos dois
modelos de turbina anteriores, no caso as cavidases na roda permaneceram mas,
posicionadas de tal modo que o passar da água por baixo da roda também a
movimenta. Por volta de 1629 Giovanni Branca usou jatos de vapor para rodar
uma turbina que girava uma máquina receptora que era uma espécie de moedor de
grãos.
Em
1678 Ferdinand Verbeist idealizou uma espécie de carruagem que usava a força de
jatos de vapor para se mover. Já em 1687 Newton tentou fazer um carro movido a
vapor pressurizado onde o fluxo de vapor ejetado na direção oposta a do
movimento moveria o carro quando o dispositivo fosse acionado mas infelizmente
o vapor não tinha força o suficiente para conseguir mover o carro de newton.
Em
1730 Bernouilli despois de muitos
estudos realizados consegue publicar os cálculos necessários para saber a força
exercida por um jato de água. J.A. Segner idealiza a primeira máquina fazendo
uso do jato d’água vinte anos depois.
Chegando
em 1760 ano que inicia a década do estouro da Revolução Industrial na
Inglaterra que nos traz a base de quase todas as outras turbinas, o motor a
vapor. Esse motor é uma máquina térmica regida pelos enunciados e princípios da
termodinâmica. Ele aproveitava a energia calorífica da alta pressão e da alta
temperatura do vapor, que era obtida pela queima de carvão, para produzir
trabalho.
Nas
turbinas a vapor desse período o vapor era conduzido por tubos até a turbina,
lá o nosso fluido de trabalho se expandia perdendo temperatura e energia que se
torna energia mecânica exercida sobre um êmbolo ou sobre as paletas da própria
turbina fazendo-a girar.
Assim
nesse período de lançamento do motor a vapor existiam dois tipos básicos de
turbinas a vapor: De condensação,
onde há sistema fechado de geração de energia. Neste, o vapor tanto atravessa a
turbina fazendo-a girar como também, ao ser condensado, gera uma zona de baixa
pressão no difusor de saída da turbina aumentando o giro e realimentando a
caldeira com o agente para novo ciclo; e de contra-pressão onde o fato do vapor não passar por um
condensador ao sair da turbina, ocasiona a perda de potencia da turbina. Ele
deixa a turbina ainda com certa pressão e temperatura e pode ser aproveitado em
outras etapas de uma planta de processo químico possibilitando a cogeração de
energia. (http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_vapor)
A
invenção da turbina a vapor é atribuída a dois engenheiros: ao britânico
Charles Parsons (1854-1931) e ao sueco Gustaf de Laval (1845-1913), o primeiro
construiu a primeira turbina a vapor de reacçãoe o segundo construiu a primeira
turbina a vapor de impulso. (http://wikienergia.pt/~edp/index.php?title=Turbina)
Em
1791 John Barber patenteou a primeira turbina a gás. E ela tinha basicamente os
mesmos elementos que tem as turbinas a gás atuais. Em 1824 Burdin apresenta à Academia de Paris projetos de turbinas de
ação e reação, e propõe pela primeira vez o nome turbina. Três anos depois
Fourneyron inventa a primeira máquina hidráulica praticamente utilizável. Quase
dez anos depois J. V. Poncelet publica um trabalho e propõe uma roda d’água
preculsora da turbina de fluxo cruzado. No ano seguinte,1842, é feita a turbina
hidráulica para grandes quedas e vazões reduzidas.( http://www.gforum.tv/board/876/184081/tipos-de-turbinas-hidraulicas.html)
Em 1843
Fontaine construiu a turbina para saltos constantes e vazões variáveis,
trabalhando a livre admissão. Oito anos
depois Girard aperfeiçoou a turbina Fontaine , regulando consecutivamente as
células, assegurando sua regulação e construindo a turbina parcial com queda a
mais constante possível. Nove anos depois Haenel, Knop e Lehmann, constróem a
turbina Girard em forma de turbina limite para vazões e alturas variáveis.
Em
1872 Dr F. Stolze construiu a primeira turbina de gás propriamente dita. O nome
da turbina está relacionado ao fluido de trabalho que é uma mistura de gases de
combustão com ar, logo os queimadores de uma turbina a gás podem ser a gás ou
qualquer outro combustível líquido. Seu funcionamento segue o ciclo
termodinâmico de Brayton e ela opera com pressão atmosférica (Ciclo
aberto). Atualmente são compostas por
três partes principais: turbina, câmara de combustão e compressor (geralmente
com 17 ou 18 estrágios).
Em 1894
Charles Parsons teve idéia de colovar
uma turbina a vapor em um navio. A partir de então começaram a se establesecer
alguns conceitos de propulsão e novas idéias a respeito disso. Ægidius Elling construiu
a primeira turbina a gás com mais potência que o necessário para movimentar os
componentes da própria turbina em 1903.
Em
1930 Frank Whittle desenhou a turbina de propulsão a jato e o priêiro Êxito com
seu equipamento foi em abril de 1937. Em
1931 Escher Wyss constrói a primeira turbina reversível axial ( Bomba – Turbina
) enquanto que a Voith constrói a primeira turbina reversível tipo Francis,
cinco anos depois Escher Wyss constrói as primeiras turbinas bulbo. (http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/en/Gas_turbine
http://www.gforum.tv/board/876/184081/tipos-de-turbinas-hidraulicas.html)
A
história das turbinas aeronáuticas começa basicamente em 1930 quando Frank Whittle lançou um modelo de turbina
capaz de mover um avião do chão, seu potente invento foi testado com êxito no British
Gloster G.40. Von Ohain fez a mesma
coisa em 1937 na Alemanha com um compressor axial na turbina que é melhor que o
centrífugo usado pela Inglaterra. A turbina foi testada em dois modelos da
força aérea alemã: HE 178 e ME 262. E por volta de 1942 os norte-americanos
lançaram seu modelo de turbina, também com compressor axial mas com queimadores
nas turbinas também. Hoje são aplicadas
basicamente turbinas a gás para essa função mas com algumas adaptações.
Somente entre as décadas de 1970 e 1980 a energia
eólica começou a ganhar impulso por meio de instituições como Instituto
de Energia Eólica Alemão (DEWI) que começam a investir em tecnologias e
otimização das turbinas eólicas.
Desde 1998 os tipos de turbinas hidráulicas usadas
mundialmente e fabricadas são: A turbina Turgo; A Turbina Pelton; A turbina de
fluxo cruzado; A turbina Francis ; A turbina Axial; A turbina sifão; A turbina
S; A turbina Bulbo; A bomba centrífuga funcionando como turbina; A turbina de
águas correntes. (http://www.gforum.tv/board/876/184081/tipos-de-turbinas-hidraulicas.html) Em 2009 a Siemens, em parceria com a norueguesa StatoilHydro, instala
a primeira turbina eólica flutuante de larga escala do mundo.
3.0 Aplicação das turbinas
Turbinas a Vapor: Esse tipo
de turbina tem a capacidade de transformar energia térmica em energia mecânica.
Assim elas podem ser aproveitadas para geração de
energia e movimentar equipamentos como bombas ou compressores no ambiente
industrial, embora geralmente tenham grande porte. O vapor que sai dessa
turbina ainda pode ser aproveitado para cogeração de energia no caso o vapor
que sai dela pode ser direcionado a equipamentos de menor porte ou mesmo usado
para aquecer produtos do processo.
Turbinas
a gás: essas turbinas succionam o ar da atmosfera, aquece ele ao ser passado
por um compressor de, geralmente 17 estágios, e vão a uma câmara de combustão
onde se mistura com gases de combustão e é mais aquecido ainda movimentando a
turbina propriamente dita. Seu uso mais comum no dia de hoje, devido a sua alta
densidade de potência, á em aeronaves e para acionar diversos outros tipos de máquinas movidas por
eixo, tais como: navios, ônibus, helicópteros, locomotivas, tanques de guerra. No âmbito industrial podem ser usadas para fazer outros equipamentos
funcionarem (bombas, compressores). E também podem ser usadas para geração de
energia elétrica.
Turbinas Hidráulicas:
Essas turbinas se utilizam da energia potencial da água represada nas barragens
das hidrelétricas para ser convertida em energia cinética. Elas ficam acopladas
a geradores que são acionados com a rotação da turbina produzindo assim energia
elétrica. Elas são de grande aplicação em usinas geradoras de energia,
basicamente hidrelétricas. Não devem ser aplicadas ao ambiente industrial não
só pelo seu alto custo, pela ampla área necessária, pela necessidade de maior
controle, do fato da produção de energia poder sofrer alterações devido a baixa
vazão do rio represado entre outros fatores.
Turbinas
eólicas: as eólicas são usadas mais pra geração de energia elétrica, elas
aproveitam a energia dos ventos, canalizam essa energia que é direcionada a uma
turbina que fica no núcleo de uma voluta, transformando assim a energia
cinética do ar em elétrica. Fora das usinas produtoras de energia que usam a
energia eólica essas turbinas não tem aplicação industrial pois dependem de
série de condições como local com vento forte e constante e unidirecional entre
outros. Logo este não é o meio de acionamento ou de obtensão de energia mais
seguro e confiável para a indústria.
Turbinas aeronáuticas: Empregadas na propulsão de aviões devido a
caracteristica de alta densidade de potencia. Atualmente elas correspondem a
turbinas a gás mas no surgimento dos aviões com motor os projetos desse tipo de
turbina e a turbina a gás guardavam alguma diferenças entre sí como já foi
mostrado anteriormente.
4.0 Comparativo de Eficiência
As turbinas a gás possuem um porte intermediário
comparada aos outros tipos de turbinas onde uma de suas desvantagens é o
elevado consumo de combustível e a necessidade de que o mesmo não seja muito
poluente. Sua grande vantagem é sua alta geração de potencia que é muito
elevada se comparada a outro tipo de turbina.
As turbinas eólicas possuem grande porte, não podem
ser instaladas em qualquer área devido a necessidade de vento forte e
constante, sua potencia é baixa comparado a outras turbinas. Sua vantagem é
dispensar o uso de combustíveis por aproveitar a energia cinética do ar,
tornando-se uma turbina mais ecologicamente correta.
As turbinas aeronáuticas em geral apresentam as mesmas
propriedades das turbinas a gás só que a geração de potencia a depender da
turbina é maior do que nas turbinas a gás convencionais. As turbinas
aeronáuticas antigas tinham potencia bem menor do que as atuais por possuirem
apenas rotor e caminhos para a passagem do ar e com um alto consumo de
combustível.
As turbinas hidráulicas são de grande porte, dependem
do armazenamento de água para o seu funcionamento , podem gerar potencia
relativamente altas a depender do seu tamanho, elas não utilizam combustível.
As turbinas a vapor tem um porte
exageradamente grande, dependem da geração de vapor de alguma caldeira ou outro
equipamento que produza vapor. Sua potencia é mediana comparando-a com as
demais turbinas e uma outra vantagem é o vapor geralmente ser aproveitado para
co-geração de energia na industria.
|
Turbinas
|
Potência
|
Porte
|
Desvantagens
|
Vantagens
|
|
À
Gás
|
Alta
|
Médio
|
Exige
considerável combustível
|
Ótima
potência
|
|
Eólicas
|
Pequena
|
Muito
Grande
|
Dependente
de ventos fortes e constantes
|
Capaz
de aproveitar um fenômeno natural
|
|
Aeronáutica
|
Muito
Alta
|
Grande
|
Exige
muito combustível
|
Potência
necessária para gerar grandes propulsões
|
|
Hidráulicas
|
Alta
|
Grande
|
Dependente
de águas represadas
|
Capaz
de gerar muita energia
|
|
À
Vapor
|
Média
|
Muito
Grande
|
Dependente
de vapor
|
Capaz
de reutilizar vapores no processo
|
5.0 Conclusão
Após analisar o histórico e
características e aplicabilidade das turbinas pode-se perceber que ao longo de
4000 anos de desenvolvimento das turbinas, muitas pessoas dedicaram anos de sua
vida com os estudos para desenvolver e aprimorar esses equipamentos de tão
larga escala de uso atual. Percebe-se também que o tipo de turbina a ser utilizada
em um processo é muito relativo devido as especifidades que cada tipo de
turbina e processos apresentam, onde essa escolha é feita através de uma tabela
de comparação de eficiência para a finalidade a qual a turbina será designada.
6.0 Referências
bibliográficas
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