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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--056056

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade

[email protected]@ufpr.br

TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS

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HISTÓRICO:

� O desenvolvimento inicial das turbinas, ocorreuprimeiramente com as turbinas hidráulicas e vapor,estes foram os primeiros equipamentos destesegmento utilizados para a produção de potência, hojeem dia é fato o avanço das turbinas a gás, sendoestas utilizadas isoladamente ou em cicloscombinados.


HISTÓRICO:

� Alguns exemplos podem ser detectados na história dahumanidade quanto a utilização dos gases quentescomo fluido de trabalho. Dentre os mais antigos, valedestacar o exemplo de Leonardo Davinci, que porvolta de 1500 (D.C.) elaborou um esquema de umdispositivo que poderia utilizar os gases quentesrejeitados para uma chaminé para promoverrotacionamento de um alimento a ser assado.

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HISTÓRICO:

� Muito tempo depois, em 1791, um inglês chamadoJohn Barber, desenvolveu um equipamento queincorporava muitos elementos de uma turbina a gásmoderna, porém utilizava um compressor alternativo.Outros equipamentos foram desenvolvidos durante amesma época, mas não poderiam ser consideradasverdadeiras turbinas a gás devido ao fato queutilizavam vapor em um certo ponto do processo.


HISTÓRICO:

� Em 1872, Stolze desenhou a primeira turbina a gás.Este equipamento possuía compressão em variasetapas com fluxo axial.

� Outros desenvolvimentos foram notados após asgrandes guerras mundiais onde na Alemanha eInglaterra desenvolvem as primeiras turbinas parapropulsão de aviões.

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DEFINIÇÃO:

� A turbina a gás (TG) é definida como sendo umamáquina térmica, onde a energia potencialtermodinâmica contida nos gases quentesprovenientes de uma combustão é convertida emtrabalho mecânico ou utilizada para propulsão.

Turbina a Gás


DEFINIÇÃO:

� Desta forma, as turbinas a gás são máquinastecnicamente muito complexas, com inúmeras partesmóveis e sofisticados sistemas de lubrificação econtrole eletrônico visando basicamente a conversãoda energia contida no combustível em potência deeixo.

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CARACTERÍSTICAS:

� As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gasesquentes, produto da combustão, o que dispensa autilização de um fluido de trabalho intermediário, comoo vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades maiscompactas, para os mesmos níveis de produção depotência.

� Não apresentam uma flexibilidade em relação aocombustível a ser utilizado, assim não se recomenda autilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas),pois podem comprometer elementos do equipamento.


PARTES COMPONENTES:

� As principais partes componentes da turbina a gássão:

� Compressor,� Câmara de combustão,� Turbina,

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PARTES COMPONENTES:

� As principais partes componentes da turbina a gássão:

AR


PARTES COMPONENTES:

� Outras partes são:

� Linha de admissão de ar e combustível,� Carcaça,� Pás,� Difusor e linha de exaustão.

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PARTES COMPONENTES:

� Esquematicamente:

Principais partes componentes de uma turbina a gás


PARTES COMPONENTES:

� Esquematicamente:

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FUNCIONAMENTO:

� As TG’s funcionam admitindo ar em condiçãoambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor,onde ocorre compressão adiabática com aumento depressão e conseqüentemente também aumento detemperatura. Cada estágio do compressor é formadopor uma fileira de palhetas rotativas que impõemmovimento ao fluxo de ar (energia cinética) e umafileira de palhetas estáticas, que converte a energiacinética em aumento de pressão.


FUNCIONAMENTO:

� O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmarade combustão, onde também é alimentado com umcombustível que pode ser gasoso ou líquido. Nacombustão ocorre um aumento de temperatura apressão constante, produzindo um aumento de volumedo fluxo de gases.

� Estes gases quentes e pressurizados acionam aturbina de potência, gerando trabalho mecânico.

� Depois, os gases, ainda quentes, são finalmenteliberados ainda em alta temperatura.

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FUNCIONAMENTO:

� Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmentetrabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18estágios de compressão. Cada estágio do compressoré formado por uma fileira de palhetas rotativas queimpõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) euma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energiacinética para compressão. O ar sai do compressor auma temperatura que pode variar entre 300°C e450°C.


FUNCIONAMENTO:

� Cerca de metade da potência produzida pela turbinade potência é utilizada no acionamento do compressore o restante é a potência líquida gerada quemovimenta um gerador elétrico.

� Saindo da câmara de combustão, os gases têmtemperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina,os gases são liberados ainda com significantedisponibilidade energética, tipicamente a temperaturasentre 500 e 650 celsius.

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FUNCIONAMENTO:

� Considerando isso, as termelétrica mais eficientes ede maior porte aproveitam este potencial através deum segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou CicloRankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo

combinado, de eficiência térmica freqüentementesuperior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente35%.


FUNCIONAMENTO:

� Turbinas projetadas para operar em ciclo simples,tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têmtemperatura de saída de gases reduzida ao máximo etêm otimizada taxa de compressão. A taxa decompressão é a relação entre a pressão do ar naentrada da turbina e na saída do compressor. Porexemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressora 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.

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FUNCIONAMENTO:

� A passagem dos gases quentes gera forças, queaplicadas às pás da turbina, determinam um momentomotor resultante, que faz girar o rotor.

Gases quentes

Rotor

Passagem dos gases quentes pela turbina


FUNCIONAMENTO:

Turbina a Gás

GasesEntrada

GasesSaída

Variação de entalpiaVariação de energia cinéticaVariação de energia potencial

Trabalho

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UTILIZAÇÃO:

� São usadas principalmente para o acionamento degeradores elétricos e propulsão aérea e marítima.

Principais utilizações das turbinas a gás


CLASSIFICAÇÃO:

� A classificação das turbinas a gás é normalmente feitasegundo:� Condições de emprego (estacionária ou de

propulsão)� Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado)� Outros (Arranjo, tipo de combustível, velocidade de

rotação, pressão).

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CONDIÇÕES DE EMPREGO:

� Turbinas a gás dedicadas à geração de energiaelétrica são divididas em duas principais categorias, noque se refere à concepção. São elas as pesadas(Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para ageração de energia elétrica ou propulsão naval e asaeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetosanteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.Existem ainda as micro-turbinas (dedicadas à geraçãodescentralizada de energia elétrica).



~

Empuxo

Gerador elétrico

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η = 30%

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η = 40%



η = 60%

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Geralmente dimensiona-se 2 TG para 1TV todas com a mesma potencia


� EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS:

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CICLO TERMODINÂMICO:

� O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gáscomumente empregadas na produção de energiaelétrica e na propulsão de embarcações, locomotivas eaviões.



� Brayton

w12

w34

w12

w34

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EQUAÇÕES:

� As equações à seguir podem ser obtidas à partir dobalanço de massa e energia do volume de controle.Para efeito de simplificação, podemos desconsiderar avariação de energia cinética e potencial do sistema.



� Brayton

Onde:Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/kg ou kJ/kgW Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kJ/kgC Calor específico em J/kg.K ou kJl/kg.Kh Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kgT Temperatura em K (kelvin)η Eficiência (%)

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CICLO BRAYTON:


CICLOS:

Típico ciclo de Brayton

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CICLOS:

Ciclo regenerativo


CICLOS:

Ciclo com câmara de reaquecimento

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CICLOS:

Ciclo com inter-resfriamento


CICLOS:

Ciclo com inter-resfriamento e câmara de reaquecimento

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CICLOS:

Regeneração e múltiplos ciclos de inter-resfriamento ecâmaras de reaquecimento


CICLO BRAYTON (Real):

� Num ciclo Brayton real, a compressão exercida pelocompressor e a expansão na turbina não sãoisoentrópicos. Em outras palavras, estes processosnão são reversíveis, e a entropia se modifica duranteos processos (tende a aumentar devido a SLT). Outrofator se trata do atrito do fluido que resulta em perdade pressão na câmara de combustão, nos trocadoresde calor e na entrada e saída dos tubos de exaustão.

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CICLO BRAYTON REAL:

Ocorre uma derivação do ciclo real

Eficiência de um ciclo real é menor do que a eficiência de um ciclo teórico.


CICLO DE PROPULSÃO-JATO:

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CICLO DE PROPULSÃO-JATO:


EXERCÍCIO 1:

� Considere o ciclo que descreve um processoindustrial de geração de energia elétrica, onde umaturbina a gás utiliza como combustível gás natural.Calcule o rendimento térmico do processo.

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EXERCÍCIO 1:

T1= 20ºC T4= 600ºC

T2= 50ºC

C=0,3232 kJ/kg.K

C=0,3023 kJ/kg.K

T3= 1000ºC

C=0,3189 kJ/kg.K


EXERCÍCIO 1:

� Calcule:� Trabalho consumido pelo compressor.� Calor inserido no sistema pelo queimador.� Trabalho efetuado pela turbina.� Eficiência térmica do processo.

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EXERCÍCIO 1:

� Trabalho consumido pelo compressor (1-2)W12=-C.(T2-T1)

� Trabalho efetuado pela turbina (3-4)W34=C.(T3-T4)


EXERCÍCIO 1:

� Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3)Q23=C(T3-T2)

� Eficiência térmica do processoη ={[Wlíquido]/Qentra} * 100

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EXERCÍCIO 2:

� Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando emconsideração as seguintes informações:

Ve=8,3 m/s

.m=45 kg/s

Vs=145 m/s


EXERCÍCIO 2:

� EmpuxoT=m(Vs-Ve)

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EXERCÍCIO 3:Calcular a eficiência térmica do sistema e a razão

Wc/Wt.

T1= 26ºCT4= 650ºC

T2= 160ºC T3= 800ºC

C=0,3023 kJ/kg.K

C=0,3283 kJ/kg.K

C=0,3198 kJ/kg.K


EXERCÍCIO 3:

η ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100

Razão Wc/Wt = Wc/Wt

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EXERCÍCIO 4:Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e

a potencia desenvolvida pela turbina.

T1= 20ºC T4= 400ºC

T2= 120ºC T3= 650ºCFluxo = 3000 kg/h

C=0,3123 kJ/kg.K

C=0,3331 kJ/kg.K

C=0,3232 kJ/kg ºC


EXERCÍCIO 3:

η ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100


Potência = Wt * Fluxo

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EXERCÍCIO 5:Calcular a eficiência térmica do sistema (Regenerativo),

razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.

T4= 470ºC

T3= 720ºCT2= 90ºC

T1= 22ºC

Fluxo = 2200 kg/h

Compressor Turbina

Trocadorde Calor

Câmara decombustão

Combustível

1

2

2’3

4

W (t

raba

lho)

Eixo

Entrada de ar

Saída de gases

T2’= 280ºC

* C em kJ/kg.K

C=0,3023

C=0,3083 C=0,3213

C=0,3183


EXERCÍCIO 5:

η ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2’)} * 100


Potência = Wt * Fluxo

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EXERCÍCIO 6:Calcular a eficiência térmica do sistema e o consumo de

combustível.

h1=119,1 KJ/kg

Fluxo = 25000 kg/hPC gás = 15000 kcal/kg ρ gás = 1,3 kg/m³

h2=189,0 KJ/kg

h3=1737,0 KJ/kg

h4=1575,0 KJl/kg


EXERCÍCIO 6:

η ={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100

Consumo de Combustível = (CC)CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC

CC m³= kg/h / 1,3 kg/m³

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EXERCÍCIO 7:Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e

a potencia desenvolvida pela turbina.

T2= 97ºC

T1= 23ºC

Compressor Turbina 1

Câmara decombustão

Combustível

1

2

W (t

raba

lho)

Eixo

Entrada de ar Saída de gases

Turbina 2

Câmara deReaquecimento

3

4 5

6C=0,3123

T3= 890ºC

T4= 670ºCC=0,3153

T5= 820ºC

C=0,3113 T6= 640ºC

* C em KJ/kg ºC

C=0,3023

C=0,3232 C=0,3213


EXERCÍCIO 7:

η ={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr)

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EXERCÍCIO 8:

� Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando emconsideração as seguintes informações:

V1=8,4 m/s

m1=70 kg/s

V2=147 m/s

m2=85 kg/s

V3=182 m/s

Pós-Combustão


EXERCÍCIO 8:

� EmpuxoT=m1(V2-V1)+m2(V3-V2)

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