Turbina a gás
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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 num ciclo aberto, admitindo ar a pressão atmosférica e descarregando os gases de escape de volta para a atmosfera.
Ar em condição ambiente (ou refrigerado) entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e consequentemente também aumento de temperatura.
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 aumento de pressão.
O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmara de combustão, onde também é alimentado um combustível que pode ser gasoso gás natural, gás liquefeito ou líquido, como óleo diesel, querosene ou óleo pesado.
Na combustão ocorre um aumento de temperatura a pressão constante, produzindo um aumento de volume do fluxo de gases.
Estes gases quentes e pressurizados acionam a turbina de potência, gerando trabalho mecânico.
Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente liberados ainda em alta temperatura, tipicamente entre 500 e 650 celsius.
Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada, que será utilizada para movimentar um gerador ou outro equipamento acoplado à turbina.
Quando a turbina é projetada para operar em ciclo simples, para aumentar eficiência energética procura-se otimizar a taxa de compressão.
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 fogo, uma vez que os gases de saída da turbina ainda são utilizados para gerar potência.
Quando é necessário variar a rotação do eixo de saída, como nos casos em que a turbina é utilizada para propulsar um veículo ou um compressor, a turbina de potência é dividida em duas, sendo a primeira somente para acionar o compressor a velocidade sempre 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). Uma turbina a gás é um único equipamento que inclui três funções: compressor, câmara de combustão e turbina de potência.
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
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
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.
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, sozinhas ou em ciclo combinado, para esta finalidade.
