ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo III – Instalações de...
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ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUEINFANTE D. HENRIQUE
TECNOLOGIA MARÍTIMATECNOLOGIA MARÍTIMA
Capítulo III – Instalações de Capítulo III – Instalações de Turbinas a Vapor e GásTurbinas a Vapor e Gás
ENIDH – 2013/2014ENIDH – 2013/2014
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Turbinas a vapor e gás
ÍndiceInstalações de máquinas de naviosMáquinas principais e auxiliaresClassificação das máquinas térmicasTipos de instalações propulsorasInstalações de turbinas a gásInstalações de turbinas a vapor
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Turbinas a vapor e gás
Instalação de máquinas de um navioÉ constituída por todas as máquinas
térmicas principais e auxiliares e respectivos sistemas de tubagens e outras máquinas, órgãos e dispositivos
Destinam-se a assegurar todas as necessidades do navio, de modo a que este constitua uma unidade dotada de total autonomia
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Turbinas a vapor e gásInstalação de máquinas de um navio
As máquinas da instalação designam-se de acordo com a função que desempenham, da seguinte forma: Máquinas Principais – as que propulsionam o navio
Máquinas Auxiliares - as que desempenham funções que contribuem para o funcionamento das máquinas principais, bem como para satisfazer as necessidades do navio (geradores de energia eléctrica, etc...)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora do navio
Compreende o Aparelho Propulsor constituído pelas máquinas térmicas principais e sistemas directamente ligados à propulsão
Máquinas auxiliares das principaisOutros órgãos e dispositivos
necessários à operação da instalação
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Turbinas a vapor e gásMáquinas térmicas
A sua função, é converter a energia química do combustível em trabalho mecânico a fim de ser utilizado na propulsão do navio
São também usadas para o accionamento de geradores da energia eléctrica, necessária para o accionamento das máquinas auxiliares, iluminação, governo, manobra, carga, ventilação, refrigeração, navegação, comunicações, e muitas outras finalidades
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Turbinas a vapor e gásMáquinas de combustão externa
São as máquinas que aproveitam o vapor de água produzido numa caldeira ou outro tipo de gerador de vapor, para accionar um órgão móvel, que tanto pode ser o êmbolo de uma máquina alternativa como o rotor de uma turbina
Transformam parte da energia térmica do vapor em energia mecânica
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Turbinas a vapor e gásMáquinas de combustão externa
A transformação da energia química do combustível em calorífica, efectua-se através de uma combustão que ocorre num órgão exterior à máquina
Este órgão pode ser uma caldeira ou outro equipamento, que aproveitam o calor fornecido pela combustão para vaporizar a água, daí a designação de máquinas de combustão externa
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Turbinas a vapor e gásMáquinas de combustão interna
Aproveitam a força expansiva dos gases produzidos na combustão efectuada nos seus cilindros ou em outro tipo de câmara inserida no seu interior, para accionar um órgão móvel, que tanto pode ser o êmbolo de um motor (diesel, explosão) como o rotor de uma turbina a gás
Transformam parte da energia térmica dos gases de combustão em energia mecânica
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Turbinas a vapor e gás
Classificação das máquinas quanto ao tipo de movimentoQuanto ao tipo de movimento a que
está sujeito o órgão, que o fluido energético (fluido motor) acciona, as máquinas térmicas, classificam-se em:Alternativas - máquina alternativa a vapor, motor alternativo Diesel ou de explosão (Otto)
Rotativas - turbina a vapor ou a gás, motor rotativo de explosão (Wankel)
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Turbinas a vapor e gásInstalações propulsoras
As instalações propulsoras dos navios mercantes designam-se de acordo com os tipos de máquinas térmicas que utilizam para a propulsão. Em termos gerais, tem-se:Instalação propulsora com motor DieselInstalação propulsora com turbina a vapor
Instalação propulsora com turbina a gás
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Turbinas a vapor e gásInstalações propulsoras
Instalações propulsoras combinadas: Diesel - eléctrica (motor diesel-motor eléctrico)
Diesel - gás (motor diesel-turbina a gás)
Turbo - eléctrica (turbina a vapor-motor eléctrico)
Gás - turbo (turbina a gás-turbina a vapor)
Energia nuclear (reactor nuclear - turbina a vapor)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporUtilizavam-se até aos anos 80 em navios
de grande porte como petroleiros (VLCC, ULCC), navios graneleiros (transporte de carvão, minério, etc..), porta-contentores e navios de passageiros que necessitavam de uma elevada potência propulsora
Actualmente, a sua utilização está restringida quase em exclusivo aos navios-tanque LNG (metaneiros), embora esteja em declínio
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor
Evolução dos
sistemas de
propulsão usados em
navios-tanque
LNGEm 2009 havia 308 navios LNG; cerca de 262 a
vapor
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor
O Turbinia foi o primeiro
navio a utilizar o sistema de propulsão de
turbina a vapor (1894)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporElementos principais da instalação:Caldeira (gerador de vapor) Turbinas a vapor (máquinas
principais)Caixa de engrenagens redutorasLinha de veios (transmissor) Hélice (propulsor)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporEsquema
típico uma instalação marítima
de turbinas a vapor
(p=62 bar; T=515ºC)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor
Aspecto de uma turbina a vapor
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor
Elementos típicos de
uma instalação
propulsora de turbinas a
vapor
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporDados do navio-tanque LNG “Berge
Everett”
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporNa marinha, as instalações de turbinas
a vapor operam geralmente com um ciclo de vapor sobreaquecido (60 bar; 525ºC -> rendimento baixo)
Em 2005, surgiu uma nova instalação marítima a vapor com reaquecimento (100 bar ; 560ºC -> aumento de eficiência de 12% segundo o fabricante MHI – Mitsubishi Heavy Industries)
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Turbinas a vapor e gásEvolução da pressão e temperatura
do ciclo a vapor nas instalações marítimas
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor
Esquema de uma
instalação marítima de turbinas a vapor com
reaquecimento(p=100
bar; T=560ºC)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporEsquema em corte de uma
instalação moderna de turbinas a vapor (com
reaquecimento e gerador de
veio)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor
Aspecto de uma
instalação propulsora moderna
de turbinas a vapor
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vaporNavio-tanque LNG “Energy Horizon” – primeiro
navio LNG a operar com
ciclo a vapor com
reaquecimento (Agosto de
2011)
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Turbinas a vapor e gás
Instalação propulsora de turbina a vapor com utilização de energia nuclearEsta instalação é utilizada hoje em dia
apenas em navios militares (porta-aviões e submarinos)
Existem na Rússia alguns quebra-gelos que também utilizam energia nuclear
A principal vantagem desta fonte de energia deriva do facto de o reactor nuclear não consumir ar, o que permite que os submarinos possam permanecer debaixo de água durante longos períodos
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Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a
vapor com utilização de energia nuclearInstalação propulsora de um submarino
nuclear
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor utilizando energia nuclear
Esquema de uma central nuclear em
terra (PWR –
Pressurized Water Reactor)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
vapor utilizando energia nuclear
Navio “Savannah” de transporte de passageiros e
carga com propulsão
nuclear(1959 -1972 )Até hoje só foram construídos 4 navios de
carga com propulsão nuclear
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Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás
Apresenta como vantagem o facto de ser muito mais leve e ocupar menos espaço do que as instalações propulsoras de turbinas a vapor e motores diesel de potência equivalente
Tem como desvantagem o facto de ter um rendimento energético mais baixo e só poder queimar combustíveis de boa qualidade (destilados, gás natural)
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Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a
gásConstituição da instalaçãoTurbina a gás (integra o gerador de
gás constituído pelo compressor de ar e respectiva turbina de accionamento e pela câmara de combustão)
Engrenagens redutoras e linha de veios (transmissor)
Hélice (propulsor) – em alternativa, a turbina pode accionar uma bomba hidráulica (propulsão a jacto)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásCiclo de turbina a gás
1 – Compressão
2 – Adição de calor
3 – Expansão
4 – Rejeição de calor
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásPrincípio de funcionamento de uma
turbina a gás
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásEsquema de uma turbina a gás com
duas linhas de veios (usado na marinha)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gás
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásTurbina a gás LM2500 (ciclo simples)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásTurbina a gás WR-21 (Rolls Royce)
Turbina a gás
marítima com ciclo
avançado – possui pré-aqueciment
o do ar para a
combustão
Motores Diesel Relação ar/combustível
A formação da mistura ar/combustível, começa com a adição de combustível ao ar na câmara de combustão da turbina
O combustível, composto por elementos de hidrogénio (H) e carbono ( C ) deve ser misturado com uma determinada quantidade de ar, composta por oxigénio (O) e azoto (N), por forma obter-se uma mistura capaz de ser inflamada
Motores Diesel Relação ar/combustível
À relação ideal ou estequiométrica de ar/combustível, dizemos que o factor de ar λ (lambda) é igual à quantidade de ar fornecida/quantidade de ar teoricamente necessária (λ =1)
Se tivermos uma mistura pobre => λ>1, ou seja temos excesso de ar
Se tivermos uma mistura rica => λ<1, ou seja temos insuficiência de ar
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a gás
A relação estequiométrica teórica para efectuar a combustão é de 15/1, ou seja, de 15 kg de ar para 1 kg de combustível
Na prática, devido à necessidade de baixar a temperatura dos gases de combustão que se expandem na turbina, utiliza-se um valor de λ≈2,5 (elevado valor de excesso de ar)
Desvantagem: elevada potência absorvida pelo compressor (aproximadamente 50%)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásCaracterísticas principais das
turbinas a gás para aplicações marítimas
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásPrincipais construtores de turbinas a
gás para aplicações marítimas (desenvolvidas a partir de turbinas de avião)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gás
Instalação de
turbinas a gás (duas
linhas de veios)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásTurbina a gás instalada a bordo do
navio de cruzeiro “Queen Mary 2”As turbinas
LM2500 produzem 25
MW cada (40% da potência
total da instalação)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásHovercraft que utiliza turbinas a gás
para a propulsão
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Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora mista (COGES)
A evolução actual aponta para a utilização de sistemas de propulsão que utilizam a turbina a gás e a turbina a vapor numa única instalação
Os gases de evacuação da turbina a gás passam por uma caldeira recuperativa que gera vapor para uma turbina a vapor auxiliar (recuperação de energia)
O rendimento pode atingir cerca de 55%, que é superior ao dos actuais motores Diesel
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora COGES
(COmbined Gas-Electric and Steam)
Esta configuração
é actualmente utilizada em
navios de cruzeiro
(mais de 17 navios)
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Turbinas a vapor e gás
Instalação propulsora COGES (layout)
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Turbinas a vapor e gásInstalação propulsora de turbina a
gásNavio de cruzeiro “Jewel of the Seas”
(2004)
Propulsão COGES: 2 turbinas a gás (2*25 MW)+uma turbina a vapor (7.8 MW)
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Turbinas a vapor e gás
Estudo da instalação propulsora de turbinas a vaporCaldeirasTurbinasCaixa redutoraSistemas auxiliares (combustível, ar
e gases das caldeiras, água de circulação, vapor principal e auxiliar, óleo de lubrificação, etc...)
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras a vapor (Steam Boilers)
Geradores de vapor para a propulsão e sistemas auxiliares
São órgãos potencialmente perigosos a bordo dos navios
Os materiais utilizados na sua construção bem como os processos de fabrico utilizados, são obrigatoriamente submetidas a rigorosos testes, quer durante a sua construção, quer ao longo de toda a sua vida útil
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Turbinas a vapor e gás
CaldeirasA construção das caldeiras obedece a
regras estabelecidas pelas Sociedades Classificadoras, com base em estudos técnicos e na experiência recolhida ao longo de muitos anos de experiência
Estas especificações visam garantir a segurança e fiabilidade das caldeiras, a par de uma reduzida manutenção e facilidade de operação
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Classificação das caldeiras - é grande a diversidade de caldeiras utilizadas em instalações marítimas e terrestres
É possível classificá-las relativamente a vários aspectos, nomeadamente:Função que desempenhamTipo de combustível que queimaFormaPercurso dos gases e da águaEtc....
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Turbinas a vapor e gás
CaldeirasQuanto à função que desempenhamCaldeiras principais – são utilizadas
nas instalações propulsoras de turbinas a vapor, para fornecerem vapor para o funcionamento de:Máquinas principais Máquinas auxiliares (turbo-geradores, turbo-bombas de alimentação, turbo-bombas de carga, etc...)
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Turbinas a vapor e gás
CaldeirasQuanto à função que desempenham Caldeiras auxiliares – são utilizadas
na generalidade das instalações propulsoras, para fornecerem vapor para os serviços auxiliares do navio, tais como aquecimento de combustível, óleo de lubrificação, água para banhos, cozinha, lavandaria, etc.
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
As caldeiras auxiliares possuem um sistema próprio para queima de combustível que inclui pelo um ou mais queimadores (em geral 3 ou 4)
Caldeiras auxiliares recuperativas - aproveitam parte da energia dos gases de evacuação dos motores diesel para produzirem vapor de uma forma económica (Nota: também podem ter um queimador auxiliar)
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Quanto ao combustível que utilizam:Caldeiras a gás – gás natural, butano e propano
Caldeiras a combustíveis destilados – gasóleo
Caldeiras a combustíveis intermédios – Marine Diesel Óleo (MDO)
Caldeiras a combustíveis residuais – fuel-óleo intermédio (IFO) e fuel-óleo pesado (HFO – Heavy Fuel Oil)
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras - Quanto à sua formaCaldeiras cilíndricas - foram as primeiras
utilizadas na propulsão dos naviosDevido às suas limitações de rendimento e
às baixas pressões de regime, hoje em dia apenas são utilizadas como caldeiras auxiliares para gerar vapor para os serviços auxiliares do navio
Caldeiras com formas especiais - são as únicas actualmente utilizadas como Caldeiras Principais para fornecimento de vapor para a propulsão dos navios
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Quanto ao percurso dos gases e da água
Caldeiras gás-tubulares (gas-tube boilers) – os gases circulam pelo interior dos tubos da caldeira e a água pelo exterior
Caldeiras aquitubulares (water-tube boilers) – a água circula pelo interior dos tubos da caldeira e os gases pelo exterior
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
As caldeiras gás tubulares, outrora muito usadas como caldeiras principais, são hoje em dia utilizadas apenas como caldeiras auxiliares para gerar vapor a pressões da ordem dos 7 aos 10 bar
Possuem as seguintes vantagens: São de construção simples e de fácil limpeza e manutenção
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras gás-tubulares
Requerem poucos cuidados no seu funcionamento dado disporem de grandes depósitos de água e vapor
Esta característica permite flutuações na combustão sem afectar muito a pressão de regime
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras gás-tubulares
Podem utilizar água de alimentação de menor qualidade (Ex: água doce tratada quimicamente) em vez de água destilada (embora não seja aconselhável)
Dadas as baixas pressões a que operam e a considerável massa de água de que dispõem, a formação de depósitos calcários reveste-se de menor importância
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Esquema genérico de
uma caldeira cilíndrica
gás-tubular
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
As caldeiras aquitubulares são as únicas actualmente utilizadas como caldeiras principais nas instalações propulsoras a vapor, dado apresentarem sobre as caldeiras gás-tubulares as seguintes vantagens: São mais leves para a mesma potênciaSão mais fáceis de desmontar e montar,
dado serem constituídas por partes mais pequenas e leves
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras aquitubulares
Têm maior capacidade para produzir vapor e por isso satisfazem mais facilmente as rápidas variações de potência, dado o reduzido volume de água em circulação
Adaptam-se melhor às elevadas pressões e sobreaquecimentos requeridos pelas actuais instalações
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras aquitubulares
São mais fáceis de desmontar e montar, dado serem constituídas por partes mais pequenas e leves
Só utilizam água destilada, devidamente tratada através de produtos químicos
A dosagem de produtos químicos é obtida após efectuar-se a análise a amostras de água da caldeira
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Quanto à pressão de regime ou pressão de trabalho:
Baixa pressão – até 10 bar Média pressão – 10 a 40 bar Alta pressão – 40 a 170 bar Pressão muito alta – 170 a 225 barPressão super-crítica – acima de 225
bar
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Quanto à disposição do tubularHorizontal – está posicionado na
horizontal Vertical – está posicionado na vertical As caldeiras verticais gás-tubulares,
são por vezes utilizadas a bordo dos navios como caldeiras auxiliares para recuperar parte da energia dos gases de evacuação dos motores diesel, a fim de produzir vapor para os serviços auxiliares até à pressão de 10 bar
Turbinas a vapor e gás
Caldeira auxiliar
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Caldeira cilíndrica gás-
tubular vertical de
chama invertida
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Sistemas AuxiliaresCaldeira recuperativa (recovery
boiler)A caldeira recuperativa aproveita a
energia dos gases de evacuação dos motores do navio
A navegar, muitas vezes a produção de vapor da caldeira recuperativa é suficiente para as necessidades do navio
Neste caso, a caldeira auxiliar fica fora de serviço (ou seja, é isolada)
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Turbinas a vapor e gásCaldeiras
Quanto à circulação da água no tubular
Caldeiras de circulação natural – a água circula apenas por convecção, devido à diferença de densidades entre a água fria que desce e a água quente e vapor que sobem
Caldeiras de circulação forçada – a circulação da água no tubular é assegura-da por meio de bombas adequadas
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Turbinas a vapor e gás
Caldeiras principais (Main boilers)Normalmente, queimam combustíveis
pesados ou gás natural, têm formas especiais e fornalhas interiores
São aquitubulares com uma frente de trabalho, de alta pressão, com circulação natural ou forçada
A sua principal função é produzir vapor sobreaquecido para as turbinas de propulsão dos navios
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Turbinas a vapor e gás
Caldeiras principais (Main boilers)
Esquema genérico
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Colector de vapor (steam drum) – É o superior, normalmente de maior diâmetro, com capacidade para armazenar o vapor saturado produzido e também a água para alimentar os colectores inferiores
Colector de água (feedwater drum) – É o inferior de menor diâmetro, cuja função consiste em alimentar os feixes tubulares vaporizadores através da água que recebem do depósito de vapor
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Os colectores de água e vapor são fabricados em aço e possuem uma forma cilíndrica
São torneados e polidos internamente para evitar o aparecimento de corrosões
A zona de fixação dos tubos é sempre de maior espessura, para que o enfraque-cimento resultante da abertura dos orifícios de passagem destes, não comprometa a sua resistência
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Tubulares vaporizadores - Têm a função de, por um lado, encaminhar a água de alimentação do colector de vapor para os colectores de água (inferiores) através dos tubos situados nas zonas de menor temperatura da caldeira (mais afastados combustão)
Proceder à vaporização da mesma através dos tubos situados nas zonas de maior temperatura da caldeira (mais próximos da combustão)
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principaisCâmara de combustão (fornalha) – é o
espaço delimitado pelos tubulares vaporizadores, lar da câmara de combustão e paredes anterior e posterior
Este conjunto é envolvido por uma caixa de aço macio forrada internamente com materiais isolantes, sendo o lar da câmara de combustão, parede anterior, parede posterior e muros laterais geralmente revestidos com tijolos refractários
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principaisQueimadores (burners) – podem ser
de vários tipos: copo rotativo, atomização a ar ou a vapor
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principaisSobreaquecedores (superheater) –
elevam a temperatura do vapor saturado seco que recebem do colector de vapor, transformando-o em vapor sobreaquecido
O vapor sobreaquecido permite reduzir as perdas por atrito e a erosão das pás das turbinas, originadas pelas condensações, aumentando assim o seu rendimento
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principais
Sobreaquecedor (colocado
entre os tubulares
vaporizadores)
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Reaquecedor (reheatar) – aquecem novamente o vapor para eliminar as partículas de água que se formam durante a sua expansão na turbina de baixa pressão (BP), as quais podem provocar graves problemas de erosão nos últimos andares de pás da turbina
Só recentemente passou a ser usado em caldeiras marítimas. É utilizado há bastantes anos em caldeiras das centrais térmicas em terra
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Estrutura de um caldeira
aquitubular moderna com reaquecedor
(inclui queimador próprio)
(Fonte: Mitsubishi Heavy Industries)
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principaisEconomizador (Economizer) – aproveitam
parte do calor dos gases de combustão à saída da caldeira para efectuarem o pré-aquecimento da água de alimentação antes de entrar na caldeira
São aquecedores constituídos por um tubular percorrido interiormente pela água de alimentação da caldeira e exteriormente pelos gases de combustão
Sistemas AuxiliaresEconomizad
or
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Ventiladores de ar de tiragem forçada (Forced draft blower) - Têm por finalidade fornecer o ar para a combustão
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principaisAquecedores de ar de tiragem (Air
heater) Têm por finalidade aquecer o ar que vai alimentar a combustão
O caudal de ar é insuflado pelos ventiladores de ar de tiragem através dos aquecedores de ar para as caixas de ar na frente da caldeira, onde estão montados os distribuidores (registos) de ar da combustão
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Esquema típico de ar de tiragem
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Turbinas a vapor e gás
Elementos das caldeiras principaisAquecedor de ar de tiragem
Em geral, utilizam vapor para aquecer
o ar de tiragem
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Desobreaquecedor (desuperheater) – serve para baixar a temperatura do vapor sobreaquecido, de modo a poder alimentar determinadas máquinas a vapor
Este vapor é utilizado em turbinas auxiliares que não podem trabalhar com vapor sobreaquecido
Exemplos de turbinas auxiliares: turbo-bombas de alimentação das caldeiras, turbo-bombas de carga (navios-tanque)
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Turbinas a vapor e gásElementos das caldeiras principais
Desobreaquecedores: podem ser constituídos por tubulares montados no depósito de água da caldeira
Podem ainda ser órgãos externos especiais em que se injecta água de alimentação da caldeira pulverizada no seio do vapor sobreaquecido para lhe baixar a temperatura
Este processo é controlado por uma válvula termostática, controlada pela temperatura do vapor sobreaquecido
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Turbinas a vapor e gásOperação das caldeiras
Se o ar de tiragem entrar demasiado frio na fornalha, a combustão será retardada, uma vez que irá absorverá parte do calor desta para poder efectuar-se a combustão
Se o ar entrar demasiado quente na fornalha, será mais difícil fornecer a quantidade adequada para efectuar uma combustão completa
É necessário encontrar o equilíbrio adequado entre estas duas situações
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Turbinas a vapor e gás
Operação das caldeirasDevido às dificuldades inerentes ao
processo de combustão, na prática, obtêm-se os melhores resultados com λ=1,2 ou seja com 20% de excesso de ar relativamente ao valor teórico (caldeiras a queimar fuel-óleo pesado)
O coeficiente de excesso de ar λ varia consoante o tipo de combustível, ou seja:Gás natural: 5 a 10%Carvão pulverizado: 15 a 20%…..
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Turbinas a vapor e gásElementos de limpeza e
manutenção das caldeirasSopradores de fuligem (Soot blowers) –
permitem efectuar durante o funcionamento das caldeiras, a limpeza externa dos seus tubulares através de injecções de vapor nos tubulares
São colocados nos economizadores e nos tubulares vaporizadores (o seu número varia podendo atingir dez por caldeira)
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Turbinas a vapor e gásElementos de limpeza e
manutenção das caldeirasSão constituídos por tubos compridos
com orifícios espaçados a intervalos regulares, inseridos entre os tubulares
Estes tubos rodam através de um servomotor (eléctrico / ar comprimido)
Ao rodarem, injectam vapor a grande velocidade sobre os tubos, de modo a remover a fuligem que se acumula nos tubulares
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Turbinas a vapor e gásElementos de limpeza e
manutenção das caldeirasSoprador de fuligem rotativo
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Turbinas a vapor e gásSopradores de fuligem (simulador)
Sopradores de
fuligem (8)
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Turbinas a vapor e gásElementos de limpeza e
manutenção das caldeirasPortas de visita – são elementos
desmontáveis de forma a permitirem aceder ao interior da caldeira, para efeitos de inspecção e limpeza, sempre que seja necessário.
Válvulas de purga de ar – são montadas no colector de vapor (“pescoços de cavalo”)
Válvulas de dreno (sangria) – são montadas no depósito de água para escoar (sangrar) a água da caldeira
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Turbinas a vapor e gásElementos de segurança e controlo
das caldeirasVálvula de escumação – é montada no
depósito de vapor para escoar impurezas que se juntam na superfície de nível
Válvulas de segurança – protegem as caldeiras de pressões superiores às de segurança para que são projectadas, as quais poderiam levar à sua ruptura com graves consequências.
São normalmente do tipo carregadas por mola
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Turbinas a vapor e gásElementos de segurança e controlo
das caldeirasInstrumentação – elementos de medida
das principais variáveis da caldeira (no local e à distância). Destacam-se:Indicadores de nível de águaManómetros de pressãoTermómetros (combustível, água, ar, vapor,
etc...)Detectores de chamaIndicadores de fumo, analisador de gases, ...
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Turbinas a vapor e gás
Turbinas a vaporComo são máquinas de fluxo
contínuo, dispensam os complexos órgãos de distribuição necessários ao funcionamento das máquinas alternativas a vapor
Relativamente às máquinas alternativas a vapor, para a mesma potência ocupam menos espaço e possuem um maior rendimento
Por estes motivos, substituíram as máquinas alternativas a vapor a partir da segunda metade do século XX
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Turbinas a vapor e gásSistema de propulsão a vapor
mistoO navio Titanic
utilizava o vapor de
evacuação dos motores
alternativos a vapor para
accionar uma turbina a
vapor de baixa pressão
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor versus motores
dieselUtilizam-se em navios cujas máquinas
não sejam sujeitas a grandes variações de carga (funcionamento estável)
Relativamente aos motores Diesel, possuem um binário motor mais regular pelo que dispensam a montagem de qualquer volante no veio
No entanto, o rendimento térmico do ciclo a vapor é mais baixo, pelo que têm vindo a ser progressivamente substituídas por motores Diesel na propulsão marítima
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Para que as turbinas a vapor tenham um bom rendimento, a sua velocidade de rotação deve ser elevada, ou seja:
3000 a 4000 rpm, para as de elevada potência
9000 a 12000 rpm, para as de média potência
35000 a 40000 rpm, para as de pequena potência
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
O hélice, para poder funcionar com bom rendimento, deve ter uma velocidade de rotação muito inferior à das turbinas que o accionam (cerca de 80 a 100 rpm)
É imprescindível instalar caixas redutoras de velocidade entre as turbinas de vapor e o hélice, de modo a que cada um possa operar num regime de rotação em que o seu rendimento seja mais elevado, sem penalizar o outro
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Caixa de engrenagens de dupla redução
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Uma das desvantagens das turbinas de vapor deve-se à sua irreversibilidade, isto é, à incapacidade para alterarem o seu sentido de rotação
Quando são utilizadas para a propulsão de navios, é necessário instalar um grupo de turbinas para efectuar a propulsão a vante e outro, embora de menor potência (40 a 70%), para efectuar a propulsão a ré durante as manobras do navio
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor para propulsão
Turbina de baixa pressão
(marcha a vante)
Turbina de marcha a ré
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Turbinas a vapor e gásTurbina a vapor para produção de
energia eléctrica (turbo-geradores)
Utilizam-se em geral a bordo
de navios-tanque e
navios porta-contentores
para aproveitar o
vapor produzido a
bordo
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor usadas para
funções auxiliares Turbo-bombas de carga
Utilizam-se em geral a bordo
de navios-tanque de grandes
dimensões (VLCC, ULCC)
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Turbinas a vapor e gásClassificação das turbinas a vapor
São máquinas a vapor rotativas e podem classificar-se de acordo com a direcção do fluxo de vapor no seu interior, da seguinte forma:
Turbinas de acção - fluxo axial Turbinas de reacção - Fluxo radial Turbinas mistas - fluxo misto
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Turbinas de acção vs.
Turbina de reacção
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
As turbinas principais a vapor utilizadas na propulsão dos navios podem por isso ser de fluxo axial (turbinas de acção), de fluxo radial (turbinas de reacção) ou de fluxo misto (turbinas mistas)
As turbinas auxiliares utilizadas para accionamento de bombas, etc., são na maior parte dos casos de fluxo radial e de fluxo misto
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Principais componentes Base de apoio ou fixe Estator ou carcaça, chumaceiras de
apoio do rotor, distribuidores (agulhetas ou pás fixas)
Rotor (veio motor, rodas de pás móveis)
Bucins de vedação de vapor Condutas de admissão e de
evacuação de vapor
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor (esquema em
corte)
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Turbinas a vapor e gás
Turbinas a vaporEstator ou carcaça – é o invólucro de
aço da turbina em cujo interior se encontram devidamente fixados os distribuidores e o rotor que é suportado pelas chumaceiras de apoio da turbina
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Turbinas a vapor e gás
Turbinas a vaporDistribuidores – são órgãos fixos
monta-dos no interior do estator, constituídos por:
Várias agulhetas ligadas entre si (turbinas de acção)
Várias pás fixas também ligadas entre si de modo a formarem várias condutas para encaminharem o vapor para as pás móveis, (turbinas de reacção)
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Agulhetas das turbinas de acção – são condutas fixas montadas nos respectivos distribuidores por onde passa o vapor de alimentação, cujas função consiste em expandir e direccionar o vapor por forma a accionar as pás móveis
Convertem em primeiro lugar a energia térmica em energia cinética e depois em energia mecânica, com a consequente rotação do veio motor
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Agulhetas (nozzles) - direccionam o vapor para as pás da turbina de acção
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Pás fixas das turbinas de reacção – são montadas nos respectivos distribuidores, de modo a formarem entre si várias condutas por onde passa o vapor de alimentação
Têm como função direccionar apenas o vapor para as pás móveis onde ocorre a transformação da sua energia térmica em mecânica
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Funcionamento da turbina de reacção
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Rotor – é o órgão móvel da turbina, que roda mediante a acção do vapor de água nas suas pás. É constituído pelo veio motor e pelas rodas nele montadas, onde se alojam as pás móveis
Nos espaços compreendidos entre os distribuidores formados pelas agulhetas no caso das turbinas de acção, ou entre os distribuidores formados pelas pás fixas no caso das turbinas de reacção, rodam as respectivas coroas de pás móveis
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Turbinas a vapor e gás
Turbinas a vaporBucins – servem para impedir as
fugas de vapor do interior da turbina para o exterior (zona de alta pressão), através da folga existente entre o veio motor e a carcaça, nas zonas em que este sai para o exterior a vante e a ré
Nas zonas onde a pressão é negativa (vácuo), localizadas na turbina de baixa pressão, servem para impedir a entrada de ar (neste caso, fornece-se vapor aos bucins)
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Turbinas a vapor e gásTurbinas a vapor
Condensador principal (Main condenser)
Serve para condensar o
vapor descarregad
o pela turbina de
BP/Ré (funciona
com vácuo)
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Turbinas a vapor e gásAnálise e tratamento de água das
caldeiras Durante o funcionamento das
caldeiras, são recolhidas regularmente amostras da água destilada em circulação, as quais são analisadas no laboratório existente a bordo
A partir das análises realizadas, são definidas as dosagens de produtos químicos a ser introduzidas no circuito de água de alimentação
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Turbinas a vapor e gásAnálise e tratamento de água das
caldeiras Deste modo, impede-se que os
tubulares, os colectores, as válvulas e outros órgãos sejam atacados pela corrosão, bem como neles ocorra a formação de depósitos que dificultem a transmissão de calor
Os produtos são normalmente introduzidos no colector de aspiração das bombas de alimentação das caldeiras
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Turbinas a vapor e gásSistemas da instalação propulsora a
vaporSistema de alimentação de água das caldeiras Sistema de alimentação de ar para a
combustão Sistema de alimentação de combustívelSistemas de distribuição de vaporSistema de condensação e arrefecimentoSistema de vapor aos bucins das turbinasSistema de lubrificação das turbinas PPSistema de produção de água destilada para
as caldeiras (vaporizadores-destiladores)
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Turbinas a vapor e gásCircuito de combustível (fuel-óleo)
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Turbinas a vapor e gásSistema de circulação de água
salgada
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Turbinas a vapor e gásSistema de lubrificação das
turbinasNeste esquema
não está representado um tanque de
óleo de reserva que serve para
lubrificar as turbinas em
caso de emergência