Turbinas a Gás, Caldeiras e Ciclos Termodinâmicos

Princípios da Turbina a Gás (TG) e Ciclo de Brayton

A Turbina a Gás (TG) é um motor de combustão interna que produz seu próprio gás pressurizado. Este gás é obtido pela queima de combustíveis como propano, gás natural, querosene de aviação ou óleo combustível pesado. O calor gerado pela queima do combustível expande o ar, e o deslocamento em alta velocidade dessa mistura de ar e combustível queimado aciona o compressor e a turbina de potência.

Uma TG simples é constituída pelas seguintes seções fundamentais: um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina de potência.

A TG opera segundo o ciclo termodinâmico de Brayton, onde o ar comprimido é misturado com combustível e inflamado sob condições de pressão constante. O resultado é a expansão do gás quente, que produz trabalho ao passar por uma turbina. Aproximadamente 2/3 da energia gerada (considerando uma eficiência teórica de 33% para ciclos simples) são consumidos na compressão do ar, e o restante é utilizado para acionar outros mecanismos ou gerar potência útil.

A Turbina a Gás (TG) é, portanto, uma máquina térmica de combustão interna que utiliza o ar como fluido de trabalho para produzir potência mecânica.

Lei da Conservação da Energia: A energia não pode ser criada nem destruída, apenas convertida de uma forma para outra.

Ciclo de Brayton Detalhado

O ciclo de Brayton pode ser descrito pelos seguintes processos:

• Compressão (1-2): O ar atmosférico é admitido no compressor (ponto 1) e comprimido adiabaticamente (idealmente, de forma isentrópica) até uma pressão mais elevada (ponto 2). Geralmente, utiliza-se um compressor do tipo axial.
• Adição de Calor (2-3): O ar comprimido segue para a câmara de combustão (ponto 2), onde o combustível é injetado e queimado, adicionando calor ao sistema a pressão constante (idealmente). A temperatura do gás aumenta significativamente, resultando em sua expansão (ponto 3).
• Expansão (3-4): Os gases quentes provenientes da câmara de combustão expandem-se através da turbina (ponto 3), realizando trabalho mecânico. Este processo é idealmente adiabático (isentrópico). Parte desse trabalho é utilizado para acionar o compressor, e o restante constitui a potência útil do motor (ponto 4 - saída da turbina).
• Rejeição de Calor (4-1): Após a expansão na turbina, os gases de exaustão são liberados para a atmosfera (ponto 4), rejeitando calor para o ambiente a pressão constante (processo isobárico), completando o ciclo (retorno ao ponto 1, considerando um ciclo aberto).

O compressor e a turbina (seção de expansão que aciona o compressor) são montados no mesmo eixo, de forma que uma parte significativa do trabalho produzido pela turbina é consumida no próprio processo de compressão do ar.

Noções Básicas sobre Caldeiras e Geração de Vapor

Nas caldeiras, a água de alimentação é aquecida no tubulão de vapor e no feixe tubular, transformando-se em vapor. Este vapor, frequentemente, passa por um superaquecedor, onde recebe uma quantidade adicional de calor para elevar sua temperatura até o nível desejado, tornando-se vapor superaquecido.

O vapor principal (superaquecido) é então direcionado para uma turbina a vapor (geralmente com estágios de alta e baixa pressão), onde sua energia térmica é convertida em energia mecânica ou trabalho. À medida que o vapor se expande através dos diversos estágios da turbina, sua pressão e temperatura diminuem.

Ciclo Rankine

O Ciclo Rankine é um modelo idealizado para o funcionamento de sistemas de potência a vapor, como os encontrados em usinas termelétricas. Ele descreve os processos pelos quais um fluido de trabalho (geralmente água) passa para gerar energia.

Processos do Ciclo Rankine Ideal

• Processo 1-2 (Bombeamento): O fluido de trabalho, na fase líquida, é bombeado de uma pressão baixa para uma pressão alta (originalmente 4-1 no texto, ajustado para convenção comum 1-2 para início do ciclo com bombeamento). Este processo é idealmente isentrópico e requer fornecimento de trabalho à bomba.
• Processo 2-3 (Aquecimento e Vaporização): O líquido pressurizado entra na caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se transformar em vapor saturado e, frequentemente, em vapor superaquecido (originalmente 1-2). As fontes de calor podem incluir a queima de carvão, gás natural, óleo combustível, ou reações nucleares.
• Processo 3-4 (Expansão): O vapor superaquecido (ou saturado) expande-se através de uma turbina, gerando trabalho mecânico (originalmente 2-3). Idealmente, esta expansão é isentrópica. Durante este processo, a pressão e a temperatura do vapor diminuem.
• Processo 4-1 (Condensação): O vapor, após sair da turbina, entra em um condensador, onde é resfriado e condensado a pressão constante, retornando à fase líquida (líquido saturado) (originalmente 3-4). Este líquido é então bombeado de volta à caldeira, reiniciando o ciclo.

Descrição Adicional do Ciclo Rankine

O Ciclo Rankine é fundamental para a operação de turbinas a vapor em usinas de geração de energia. Nestas instalações, o trabalho é produzido pela vaporização e condensação alternada de um fluido de trabalho, que opera em um ciclo fechado e é constantemente reutilizado. É importante notar que o vapor visível saindo das torres de resfriamento de muitas usinas provém do sistema de arrefecimento do condensador (água de resfriamento), e não do fluido de trabalho do ciclo Rankine em si.

Grau de Superaquecimento do Vapor

O grau de superaquecimento é a diferença entre a temperatura do vapor superaquecido e a sua temperatura de saturação à mesma pressão. Por exemplo, se o vapor saturado a uma pressão de 28,967 kg/cm² (cuja temperatura de saturação é 232,8°C) for superaquecido até 400°C, o grau de superaquecimento será de 167,2°C (400°C - 232,8°C).

Tipos de Caldeiras

Caldeiras Flamotubulares (Tubos de Fogo)

As caldeiras flamotubulares, também conhecidas como caldeiras de tubos de fogo, de fumaça ou gastubulares, são aquelas em que os gases quentes provenientes da combustão (os "fumos" ou gases de exaustão) passam por dentro de tubos. Estes tubos estão imersos em água, transferindo calor para ela e gerando vapor.

Geralmente, o rendimento térmico das caldeiras flamotubulares é mais baixo e o espaço que ocupam é proporcionalmente maior em comparação com outros tipos, como as aquatubulares. No entanto, existem modelos compactos disponíveis atualmente. Apesar dessas limitações, seu uso pode ser vantajoso para processos industriais específicos, sendo frequentemente adequadas para instalações de pequeno porte.

Vantagens das Caldeiras Flamotubulares

• Custo de aquisição geralmente mais baixo.
• Exigem pouca ou nenhuma alvenaria para instalação.
• Capacidade de atender bem a aumentos instantâneos na demanda de vapor.

Desvantagens das Caldeiras Flamotubulares

• Baixo rendimento térmico em comparação com caldeiras aquatubulares.
• Partida lenta devido ao grande volume interno de água.
• Limitação na pressão de operação (geralmente até cerca de 15 kgf/cm²).
• Baixa taxa de vaporização (kg de vapor por m² de superfície de aquecimento por hora).
• Capacidade de produção de vapor limitada.
• Dificuldades para a instalação de componentes como economizadores, superaquecedores e pré-aquecedores de ar.

Caldeiras Compactas

As caldeiras compactas surgiram como uma solução para instalações com espaço físico limitado. Frequentemente associadas a projetos de tubos curvos (no caso de caldeiras aquatubulares), esses equipamentos podem ter capacidades médias de produção de vapor, por exemplo, em torno de 30 toneladas por hora. Devido à sua natureza compacta, podem apresentar limitações quanto ao aumento de sua capacidade de produção futura.

Caldeiras de Circulação Forçada (Positiva)

Em muitas caldeiras, a circulação da água ocorre naturalmente devido a diferenças de densidade entre a água mais fria e a mistura de água e vapor mais quente (circulação natural). Se essa circulação natural for deficiente, pode ocorrer superaquecimento localizado e ruptura dos tubos.

As caldeiras de circulação forçada (ou positiva) utilizam bombas para garantir um fluxo adequado de água através dos tubos, superando as limitações da circulação natural, especialmente em caldeiras de alta pressão ou com geometrias complexas.

Vantagens das Caldeiras de Circulação Forçada

• Permitem projetos com tamanho reduzido.
• Podem não necessitar de grandes tubulões de vapor/água.
• Possibilitam rápida geração de vapor.
• A circulação forçada pode reduzir a formação de incrustações.

Desvantagens das Caldeiras de Circulação Forçada

• Podem estar sujeitas a paradas e custos de manutenção associados à bomba de circulação.
• A bomba de circulação pode apresentar problemas, especialmente quando operando em altas pressões.

Componentes e Características de Caldeiras

Cantoneira (Descarga de Fundo)

No interior do tubulão de lama (ou tubulão inferior) de algumas caldeiras, recomenda-se a instalação de uma cantoneira ou um sistema similar para a descarga de fundo. Sua função é promover uma sucção mais eficiente ao longo de toda a extensão do tambor durante as descargas. Isso ocorre devido à diferença de pressão entre o interior do tambor e a descarga para a atmosfera (ou tanque de descarga), arrastando a lama (sedimentos e impurezas decantadas) de forma mais completa. Em caldeiras sem um sistema de descarga de fundo otimizado, a remoção de lama pode ser limitada às regiões próximas ao ponto de drenagem.

Feixe Tubular (Banco de Convecção)

O feixe tubular (em inglês, Boiler Convection Bank) é um conjunto de tubos que interliga os tubulões superior (de vapor) e inferior (de lama/água) em caldeiras aquatubulares. Água e/ou uma mistura de água e vapor circulam pelo interior desses tubos.

• Tubos de Descida (Downcomers): Conduzem água do tubulão superior para o tubulão inferior.
• Tubos Vaporizantes (Risers): Conduzem a mistura de água e vapor do tubulão inferior (ou de seções aquecidas) para o tubulão superior.

Os feixes tubulares podem ter diferentes configurações, como, por exemplo, o feixe tubular reto, comum em caldeiras mais antigas, onde os tubos eram frequentemente conectados a caixas de tubos (headers) ligadas ao tubulão de vapor.

Parede d'água

Nas fornalhas de caldeiras aquatubulares, a parede d'água é constituída por uma série de tubos interligados que revestem as paredes internas da câmara de combustão. Estes tubos contêm água (ou mistura água/vapor) e estão em contato direto com as chamas e os gases quentes da combustão, permitindo uma alta taxa de absorção de calor, principalmente por radiação.

Um tipo comum de construção de parede d'água é a de tubos tangentes, onde os tubos são dispostos lado a lado, tocando-se ou muito próximos, formando uma superfície contínua de troca térmica e protegendo o refratário da fornalha.

Fornalha (Câmara de Combustão)

A fornalha, também conhecida como câmara de combustão, é o componente da caldeira onde ocorre a queima do combustível. O projeto da fornalha varia significativamente de acordo com o tipo de combustível utilizado.

Fornalhas para Queima de Combustível Sólido em Grelha

Estas fornalhas são equipadas com suportes e grelhas (planas, inclinadas, em degraus, fixas ou móveis) para queimar combustíveis sólidos como lenha, carvão, biomassa (bagaço de cana, casca de castanha, casca de cacau, etc.) e outros resíduos industriais. A alimentação do combustível pode ser manual ou automatizada.

Desvantagens: Podem apresentar abaixamento de temperatura próximo à entrada de combustível, gerar grande quantidade de resíduos (cinzas) e ter seu uso limitado a caldeiras de menor capacidade. Frequentemente, operam com grande excesso de ar para controlar a emissão de fumaça.

Fornalha com Grelhas Basculantes

Um tipo comum para a queima de biomassa, como o bagaço de cana. É dividida em setores, cada um com elementos de grelha (barrotes) que se inclinam por acionamento externo (ar comprimido ou vapor). A inclinação dos barrotes permite que as cinzas escoem para baixo da grelha, realizando a limpeza. A otimização do ar de combustão e a melhor distribuição do combustível sobre a grelha podem aumentar o rendimento da caldeira.

Fornalha com Grelha Rotativa

Outro tipo para combustível sólido, onde a queima e a alimentação são similares à grelha basculante, mas a limpeza das cinzas é contínua, sem basculamento dos barrotes. A grelha é acionada por um motor-redutor, movendo-se lentamente para remover as cinzas. O ar de combustão é insuflado por baixo da grelha, auxiliando também na sua refrigeração.

Fornalhas para Queima de Combustível em Suspensão

Utilizadas para a queima de óleo combustível, gás natural ou combustíveis sólidos finamente pulverizados (como carvão pulverizado). Nestes casos, o combustível é introduzido na fornalha através de queimadores, que promovem a mistura adequada com o ar de combustão e a atomização (para líquidos) ou dispersão (para sólidos pulverizados e gases), permitindo a queima em suspensão.