ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE TECNOLOGIA MARÍTIMA Capítulo III – Instalações de Turbinas a Vapor e Gás ENIDH – 2013/2014

Turbinas a vapor e gás Índice Instalações de máquinas de navios Máquinas principais e auxiliares Classificação das máquinas térmicas Tipos de instalações propulsoras Instalações de turbinas a gás Instalações de turbinas a vapor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM

Turbinas a vapor e gás Instalação de máquinas de um navio É 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM

Turbinas a vapor e gás Instalação 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...) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 4 4

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora do navio Compreende o Aparelho Propulsor constituído pelas máquinas térmicas principais e sistemas directamente ligados à propulsão Máquinas auxiliares das principais Outros órgãos e dispositivos necessários à operação da instalação © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 5 5

Turbinas a vapor e gás Máquinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 6 6

Turbinas a vapor e gás Máquinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 7 7

Turbinas a vapor e gás Máquinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 8 8

Turbinas a vapor e gás Máquinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 9 9

Turbinas a vapor e gás Classificação das máquinas quanto ao tipo de movimento Quanto 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 10 10

Turbinas a vapor e gás Instalações 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 Diesel Instalação propulsora com turbina a vapor Instalação propulsora com turbina a gás © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 11 11

Turbinas a vapor e gás Instalações 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 12 12

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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 13 13

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Constituição da instalação Turbina 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 14 14

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Ciclo de turbina a gás 1 – Compressão 2 – Adição de calor 3 – Expansão 4 – Rejeição de calor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 15 15

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Princípio de funcionamento de uma turbina a gás © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 16 16

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Esquema de uma turbina a gás com duas linhas de veios (usado na marinha) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 17 17

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 18 18

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Turbina a gás LM2500 (ciclo simples) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 19 19

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Turbina a gás WR-21 (Rolls Royce) Turbina a gás marítima com ciclo avançado – possui pré-aquecimento do ar para a combustão © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 20 20

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

Turbinas a vapor e gás Instalação 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%) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 23 23

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Características principais das turbinas a gás para aplicações marítimas © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 24 24

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Principais construtores de turbinas a gás para aplicações marítimas (desenvolvidas a partir de turbinas de avião) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 25 25

Instalação de turbinas a gás (duas linhas de veios) Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Instalação de turbinas a gás (duas linhas de veios) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 26 26

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Turbina 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 27 27

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Hovercraft que utiliza turbinas a gás para a propulsão © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 28 28

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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 29 29

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora COGES (COmbined Gas-Electric and Steam) Esta configuração é actualmente utilizada em navios de cruzeiro (mais de 17 navios) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 30 30

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora COGES (layout) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 31 31

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a gás Navio de cruzeiro “Jewel of the Seas” (2004) Propulsão COGES: 2 turbinas a gás (2*25 MW)+uma turbina a vapor (7.8 MW) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 32 32

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Utilizavam-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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 33 33

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Evolução dos sistemas de propulsão usados em navios-tanque LNG Em 2009 havia 308 navios LNG; cerca de 262 a vapor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 34 34

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor O Turbinia foi o primeiro navio a utilizar o sistema de propulsão de turbina a vapor (1894) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 35 35

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Elementos principais da instalação: Caldeira (gerador de vapor) Turbinas a vapor (máquinas principais) Caixa de engrenagens redutoras Linha de veios (transmissor) Hélice (propulsor) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 36 36

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Esquema típico uma instalação marítima de turbinas a vapor (p=62 bar; T=515ºC) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 37 37

Aspecto de uma turbina a vapor Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Aspecto de uma turbina a vapor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 38 38

Elementos típicos de uma instalação propulsora de turbinas a vapor Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Elementos típicos de uma instalação propulsora de turbinas a vapor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 39 39

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Dados do navio-tanque LNG “Berge Everett” © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 40 40

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Na 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 41 41

Turbinas a vapor e gás Evolução da pressão e temperatura do ciclo a vapor nas instalações marítimas © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 42 42

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Esquema de uma instalação marítima de turbinas a vapor com reaquecimento(p=100 bar; T=560ºC) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 43 43

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Esquema em corte de uma instalação moderna de turbinas a vapor (com reaquecimento e gerador de veio) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 44 44

Aspecto de uma instalação propulsora moderna de turbinas a vapor Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Aspecto de uma instalação propulsora moderna de turbinas a vapor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 45 45

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor Navio-tanque LNG “Energy Horizon” – primeiro navio LNG a operar com ciclo a vapor com reaquecimento (Agosto de 2011) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 46 46

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor com utilização de energia nuclear Esta 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 47 47

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor com utilização de energia nuclear Instalação propulsora de um submarino nuclear © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 48 48

Turbinas a vapor e gás Instalação propulsora de turbina a vapor utilizando energia nuclear Esquema de uma central nuclear em terra (PWR – Pressurized Water Reactor) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 49 49

Até hoje só foram construídos 4 navios de carga com propulsão nuclear Turbinas a vapor e gás Instalação 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 50 50

Turbinas a vapor e gás Estudo da instalação propulsora de turbinas a vapor Caldeiras Turbinas Caixa redutora Sistemas auxiliares (combustível, ar e gases das caldeiras, água de circulação, vapor principal e auxiliar, óleo de lubrificação, etc...) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 51 51

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 52 52

Turbinas a vapor e gás Caldeiras A 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 53 53

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 desempenham Tipo de combustível que queima Forma Percurso dos gases e da água Etc.... © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 54 54

Turbinas a vapor e gás Caldeiras Quanto à função que desempenham Caldeiras 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...) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 55 55

Turbinas a vapor e gás Caldeiras Quanto 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. © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 56 56

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 57 57

Turbinas a vapor e gás Caldeiras Quanto ao combustível que utilizam: Caldeiras a gás – gás natural, butano e propano Caldeiras a combustíveis destilados – gasóleo (MGO) Caldeiras a combustíveis intermédios – Marine Diesel Óleo (MDO) Caldeiras a combustíveis residuais – fuel-óleo intermédio (IFO) e fuel-óleo pesado (HFO – Heavy Fuel Oil) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 58 58

Turbinas a vapor e gás Caldeiras - Quanto à sua forma Caldeiras cilíndricas - foram as primeiras utilizadas na propulsão dos navios Devido 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 59 59

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 60 60

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 61 61

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 62 62

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 63 63

Esquema genérico de uma caldeira cilíndrica gás-tubular Turbinas a vapor e gás Caldeiras Esquema genérico de uma caldeira cilíndrica gás-tubular © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 64 64

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 potência São mais fáceis de desmontar e montar, dado serem constituídas por partes mais pequenas e leves © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 65 65

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 66 66

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 67 67

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 bar Pressão super-crítica – acima de 225 bar © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 68 68

Turbinas a vapor e gás Caldeiras Quanto à disposição do tubular Horizontal – tubular posicionado na horizontal Vertical – tubular 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 69 69

Caldeira cilíndrica gás-tubular vertical de chama invertida Turbinas a vapor e gás Caldeira auxiliar Caldeira cilíndrica gás-tubular vertical de chama invertida © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 70

Sistemas Auxiliares Caldeira 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 71

Turbinas a vapor e gás Caldeiras 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 72 72

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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 73 73

Turbinas a vapor e gás Caldeiras principais (Main boilers) Esquema genérico © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 74 74

Turbinas a vapor e gás Elementos 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 75 75

Turbinas a vapor e gás Elementos 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 enfraqueci-mento resultante da abertura dos orifícios de passagem destes, não comprometa a sua resistência © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 76 76

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Tubulares vaporizadores - Têm a função de, por um lado, direccionar 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 água através dos tubos situados nas zonas de maior temperatura da caldeira (mais próximos da combustão) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 77 77

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Câmara 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 78 78

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Queimadores (burners) – podem ser de vários tipos: copo rotativo, atomização a ar ou a vapor © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 79 79

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Sobreaquecedores (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 deste modo o seu rendimento © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 80 80

Sobreaquecedor (colocado entre os tubulares vaporizadores) Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Sobreaquecedor (colocado entre os tubulares vaporizadores) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 81 81

Turbinas a vapor e gás Elementos 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 muitos anos em caldeiras das centrais térmicas em terra © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 82 82

(Fonte: Mitsubishi Heavy Industries) Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Estrutura de um caldeira aquitubular moderna com reaquecedor (inclui queimador próprio) (Fonte: Mitsubishi Heavy Industries) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 83 83

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Economizador (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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 84 84

Sistemas Auxiliares Economizador © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 85

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Ventiladores de ar de tiragem forçada (Forced draft blower) - Têm por finalidade fornecer o ar para a combustão © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 86 86

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Aquecedores 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 87 87

Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Esquema típico de ar de tiragem © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 88 88

Em geral, utilizam vapor para aquecer o ar de tiragem Turbinas a vapor e gás Elementos das caldeiras principais Aquecedor de ar de tiragem Em geral, utilizam vapor para aquecer o ar de tiragem © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 89 89

Turbinas a vapor e gás Elementos 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 90 90

Turbinas a vapor e gás Elementos 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 91 91

Turbinas a vapor e gás Operação 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 de ar adequada para efectuar uma combustão completa É necessário encontrar o equilíbrio adequado entre estas duas situações © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 92 92

Turbinas a vapor e gás Operação das caldeiras Na prática, devido às dificuldades inerentes ao processo de combustão, 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 valor de λ varia consoante o tipo de combustível utilizado, ou seja: Gás natural: 5 a 10% Carvão pulverizado: 15 a 20% ….. © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 93 93

Turbinas a vapor e gás Elementos de limpeza e manutenção das caldeiras Sopradores 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 94 94

Turbinas a vapor e gás Elementos de limpeza e manutenção das caldeiras São 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 95 95

Turbinas a vapor e gás Elementos de limpeza e manutenção das caldeiras Soprador de fuligem rotativo © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 96 96

Sopradores de fuligem (8) Turbinas a vapor e gás Sopradores de fuligem (simulador) Sopradores de fuligem (8) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 97 97

Turbinas a vapor e gás Elementos de limpeza e manutenção das caldeiras Portas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 98 98

Turbinas a vapor e gás Elementos de segurança e controlo das caldeiras Válvula 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 99 99

Turbinas a vapor e gás Elementos de segurança e controlo das caldeiras Instrumentação – elementos de medida das principais variáveis da caldeira (no local e à distância). Destacam-se: Indicadores de nível de água Manómetros de pressão Termómetros (combustível, água, ar, vapor, etc...) Detectores de chama Indicadores de fumo, analisador de gases, ... © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 100 100

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Como 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 101 101

Turbinas a vapor e gás Sistema de propulsão a vapor misto O navio Titanic utilizava o vapor de evacuação dos motores alternativos a vapor para accionar uma turbina a vapor de baixa pressão © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 102 102

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor versus motores diesel Utilizam-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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 103 103

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 104 104

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 105 105

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Caixa de engrenagens de dupla redução © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 106 106

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 107 107

Turbina de baixa pressão (marcha a vante) Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor para propulsão Turbina de baixa pressão (marcha a vante) Turbina de marcha a ré © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 108 108

Turbinas a vapor e gás Turbina 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 109 109

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor usadas para funções auxiliares Turbo-bombas de carga Utilizam-se em geral a bordo de navios-tanque de grandes dimensões (VLCC, ULCC) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 110 110

Turbinas a vapor e gás Classificação 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 111 111

Turbinas de acção vs. Turbina de reacção Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Turbinas de acção vs. Turbina de reacção © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 112 112

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 113 113

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 114 114

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor (esquema em corte) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 115 115

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Estator 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 116 116

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Distribuidores – 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) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 117 117

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 118 118

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Agulhetas (nozzles) - direccionam o vapor para as pás da turbina de acção © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 119 119

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 120 120

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Funcionamento da turbina de reacção © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 121 121

Turbinas a vapor e gás Turbinas 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 122 122

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Bucins – 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 auxiliar aos bucins) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 123 123

Turbinas a vapor e gás Turbinas a vapor Condensador principal (Main condenser) Serve para condensar o vapor descarregado pela turbina de BP/Ré (funciona com vácuo) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 124 124

Turbinas a vapor e gás Análise 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 125 125

Turbinas a vapor e gás Análise 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 © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 126 126

Turbinas a vapor e gás Sistemas da instalação propulsora a vapor Sistema de alimentação de água das caldeiras Sistema de alimentação de ar para a combustão Sistema de alimentação de combustível Sistemas de distribuição de vapor Sistema de condensação e arrefecimento Sistema de vapor aos bucins das turbinas Sistema de lubrificação das turbinas PP Sistema de produção de água destilada para as caldeiras (vaporizadores-destiladores) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 127 127

Turbinas a vapor e gás Circuito de combustível (fuel-óleo) © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 128 128

Turbinas a vapor e gás Sistema de circulação de água salgada © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 129 129

Turbinas a vapor e gás Sistema de lubrificação das turbinas Neste esquema não está representado um tanque de óleo de serviço que serve para lubrificar as turbinas em caso de emergência © Luis Filipe Baptista – ENIDH/DEM 130 130