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Uma turbina a gás, na verdade, é um equipamento que inclui três conjuntos: compressor, câmara de combustão e turbina de potência.O ciclo termodinâmico que descreve o funcionamento das turbinas a gás denomina-se ciclo de Brayton e foi idealizado por George Brayton em 1870, recebendo seu nome em homenagem.
Estas turbinas funcionam em um ciclo aberto, onde o fluido de trabalho, o ar, é admitido na pressão atmosférica e os gases de escape, após passar pela turbina, são descarregados de volta na atmosfera.
O Ar em condição ambiente (ou refrigerado) entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e consequentemente também aumento de temperatura. Apõs passar pelo compressor o ar é direcionado a uma câmara de combustão, onde, devido à reação com o combustível, ocorre um violento aquecimento à pressão constante. Ao sair da câmara de combustão, os gases, agora à alta pressão e temperatura, passam por uma turbina de expansão. A turbina de expansão retira calor e pressão dos gases, convertendo em potência mecânica. A potência mecânica obtida é usada, em parte, para mover o compressor, e outra parte, para mover um acoplamento. Em turbinas aeronáticas a turbina retira apenas a potência necessária para mover o compressor, e o restante é usada para gerar empuxo.
Turbinas de grande porte (Heavy-duty) possuem um compressor de fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma filerira de palhetas estáticas, que converte a energia cinética em pressão. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300°C e 450°C.Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada.
O combustível pode ser gasoso gás natural, gás liquefeito ou líquido, como óleo diesel, querosene e até mesmo óleo pesado. Os gases sãem da câmara de combustâo à temperatura de até 1250°C.Após passar pela turbina de potência os gases são liberados ainda em alta temperatura, tipicamente entre 500 e 650 celsius.
Quando a turbina é projetada para operar em ciclo simples, para aumentar eficiência energética, procura-se otimizar a taxa de compressão.A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar na entrada da turbina e na saída do compressor. Se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compressão é: 15.
Se a turbina é projetada para operar em ciclo combinado, procura-se aumentar a eficiência energética do ciclo como um todo, através do aumento da temperatura de combustão, uma vez que os gases de saída da turbina ainda são utilizados para gerar potência.
Quando é necessário variar a rotação do eixo , como nos casos em que a turbina é utilizada para impusionar um veículo ou um compressor, a turbina de potência é dividida em duas, sendo a primeira somente para acionar o compressor com velocidade constante, e a segunda (com eixo independente) para produção de potência mecânica, com velocidade variável.
Para que seja possível variar a velocidade da turbina de potência é preciso que os bocais que direcionam os gases quentes sobre as palhetas sejam móveis, variando o ângulo de incidência dos gases.
Uma desvantagem é que uma queda súbita na demanda de carga elétrica (também denominada rejeição de carga) pode elevar descontroladamente a velocidade da segunda turbina (um sistema de controle deve ser previsto). Em termos de geração de potência, as turbinas simples não têm uma eficiência muito alta. Boa parte do trabalho mecânico é gasto no acionamento do compressor e os gases rejeitados, com temperatura ainda alta significam uma importante perda energética.
Como os gases de escape possuem grande disponibilidade energética, muitas vezes estes são direcionados para uma caldeira a vapor para produzir energia. Isto é denominado um ciclo combinado, que pode atingir eficiência energética de 60% no caso das turbinas mais modernas.
[editar] Vantagens
Em relação às turbinas a vapor:
- utilizam os gases de combustão como fluído de trabalho, constituídos em grande parte por ar atmosférico.
- São menores e mais baratas, sendo construídas e montadas com mais rapidez;
- Dispensam o uso de caros sistemas de tratamento de água. Possuem apenas um conjunto de filtros na entrada da turbina, compactos e de fácil manutenção.
- Podem ser ligadas muito mais rapidamente que turbinas a vapor (entre 15 min para turbinas aeroderivadas a 45 minutos para turbinas de grande potência).
Em relação aos motores de combustão interna:
- não apresentam movimento alternativo
- menor atrito
- menores problemas de balanceamento
- pouco gasto de óleo lubrificante
- alta confiabilidade
- maior potência (tipicamente 20MW a 240MW)
As turbinas a gás apresentam vantagens em relação às turbinas a vapor pela razão de não precisarem de uma instalação (grande e cara) para a produção de vapor e em relação aos motores a pistão, pelo fato de não ter funcionamento alternativo e ter menos perdas por atrito mecânico, menor ruído, e uma poderem gerar uma potência maior com uma máquina dimensionalmente bem mais compacta.
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 fluído. Isto leva a unidades mais compactas, para os mesmos níveis de produção de potência.
Enquanto as turbinas hidráulicas e a vapor foram as primeiras utilizadas na produção de potência, hoje é fato o avanço das turbinas a gás, seja operando em ciclo aberto ou em ciclo combinado.
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