Eficiência de turbinas a vapor

17 de setembro, 2023 às 18:54 | Postado em Termologia, termodinâmica

Porque não é possível projetar uma turbina com uma eficiência próxima a 100%?

Esta pergunta poderia ser generalizada para qualquer máquina térmica e a resposta envolve o Teorema de Carnot, demonstrado em 1824 por  Nicolas Léonard Sadi Carnot.

Uma máquina térmica, não importando qual seja a substância de trabalho e as características das fontes térmicas utilizadas, não pode ter eficiência (rendimento) superior ao da máquina de Carnot.

A eficiência da máquina de Carnot (η_Carnot) é dada por

onde T_F  é a temperatura absoluta da fonte fria e  T_Q  é a temperatura absoluta da fonte quente.

Se imaginarmos uma turbina a vapor que recebe da caldeira água no estado gasoso a 700°C (923K) e no final do processo descarrega água líquida na atmosfera a 20°C (293K), a eficiência para uma máquina de Carnot operando entre estas duas temperaturas resulta em

η_Carnot = 1 – 293/923 = 0,68 = 68%

Este resultado permite afirmar que esta turbina a vapor terá eficiência inferior a 68%.

Portanto, as temperaturas extremas entre as quais a turbina (ou qualquer máquina térmica) opera limita a eficiência embora a eficiência efetiva dependa de muitas outros parâmetros.

As turbinas a vapor podem atingir eficiências maiores do que outras máquinas térmicas. De acordo com  Catalog of CHP Technologies, Section 4 – Steam Turbines  “as turbinas a vapor de múltiplos estágios (relação de pressão moderada a alta) têm eficiências termodinâmicas que variam de 65% para unidades muito pequenas (abaixo de 1.000 kW) a mais de 90% para grandes unidades industriais e de utilidade pública . Turbinas a vapor pequenas e de estágio único podem ter eficiências tão baixas quanto 40%“.

“Docendo discimus.” (Sêneca)