MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 9-11 – SISTEMAS DE POTÊNCIA A GÁS

Instalação de Potência com Turbinas a Gás

◦As turbinas a gás tendem a ser maisleves e mais compactas que asinstalações de potência a vapor.

◦A relação favorável de potência desaída/peso nas turbinas a gás as tornaadequa das para aplicações emtransportes. As turbinas a gás sãotambém comumente usadas parageração de potência estacionária.

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Modelando Instalações de Potência Com Turbinas a Gás

◦As instalações de potência com turbinas a gás podem operartanto de um modo aberto como fechado.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦Uma idealização frequentemente

utilizada no estudo de instalações depotência com turbinas a gás é a deuma análise de ar-padrão. Na análisede ar-padrão duas hipóteses sãosempre formuladas:◦ O fluido de trabalho é o ar, o qual se

comporta como um gás ideal◦ O aumento de temperatura que resultaria

da combustão é realizado através de umatransferência de calor de uma fonteexterna.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦De acordo com as hipóteses de uma

análise de ar-padrão, o aumento detemperatura que seria obtido noprocesso de combustão é realizadoatravés de uma transferência de calor deuma fonte externa para o fluido detrabalho e este é considerado arcomportando-se como um gás ideal.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦Uma representação simplificada dos

estados percorridos pelo ar, em um ciclocomo este, pode ser imaginadaconsiderando-se o ar de saída da turbinacomo retornando ao estado na entradado compressor por intermédio de suapassagem através de um trocador decalor, onde ocorre rejeição de calor paraas vizinhanças. O ciclo resultante destaidealização complementar é chamadode ciclo de ar-padrão Brayton.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦ Supondo-se que a turbina opera

adiabaticamente e com efeitosdesprezíveis de energia cinética epotencial, o trabalho produzido porunidade de massa é:

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦ Com as mesmas hipóteses, o

trabalho do compressor porunidade de massa é:

◦O calor adicionado ao ciclopor unidade de massa é:

◦O calor rejeitado por unidadede massa é:

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦A eficiência térmica do ciclo:

◦A razão de trabalho reverso para o ciclo é:

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦No ciclo Brayton uma parte relativamente grande do trabalho produzido

pela turbina é requerida para acionar o compressor.

◦Razões de trabalho reverso típicas para turbinas a gás variam de 40 a 80%.Em comparação, as razões de trabalho reverso para instalações depotência a vapor são normalmente 1 ou 2% apenas.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton

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https://www.youtube.com/watch?v=zcWkEKNvqCA

https://www.youtube.com/watch?v=uY-iQYpO_a8

Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦As áreas nos diagramas T-s e p-v podem ser

interpretadas como calor e trabalho,respectivamente, por unidade de massaescoando.

◦No diagrama T-s, a área 2-3-a-b-2 representa ocalor adicionado por unidade de massa, e a áreaT-4-a-b-1 é o calor rejeitado por unidade demassa.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦No diagrama p-v, a área 1-2-a-b-1 representa o

trabalho fornecido ao compressor por unidadede massa, e a área 3-4-b-a-3 é o trabalhoproduzido pela turbina por unidade de massa.

◦A área de cada figura pode ser interpretadacomo o trabalho líquido produzido ou,equivalentemente, o calor líquido absorvido.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦Quando os dados de tabelas de ar são usados

para conduzir uma análise envolvendo o cicloBrayton ideal, as seguintes relações aplicam-seaos processos isentrópicos:

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦Quando o ciclo Brayton ideal é analisado em

uma base de ar-padrão frio, os caloresespecíficos são considerados constantes. Destaforma, as seguintes expressões podem serutilizadas:

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦ Efeito da Relação de Compressão sobre o Desempenho: Algumas

conclusões podem ser corretas para turbinas a gás reais podem ser tiradasdo ciclo Brayton ideal. A primeira delas é que a eficiência térmica aumentacom o aumento da relação de compressão.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦ Efeito da Relação de Compressão sobre o Desempenho: Algumas

conclusões podem ser corretas para turbinas a gás reais podem ser tiradasdo ciclo Brayton ideal. A primeira delas é que a eficiência térmica aumentacom o aumento da relação de compressão.

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Ciclo de Ar-Padrão Brayton◦Os diagramas T-s de dois ciclos

Brayton ideais possuindo a mesmatemperatura de entrada naturbina, mas razões decompressão diferentes estãomostrados na figura ao lado.

◦Deve-se considerar que existe umlimite metalúrgico para atemperatura de admissão naturbina (cerca de 1700K).

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Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás

◦ Por causa dos efeitos de atrito dentro docompressor e da turbina, o fluido de trabalhosofreria aumentos de entropia específica nestescomponentes. Devido ao atrito, haveriatambém perdas de carga conforme o fluidopassasse através dos trocadores de calor.Porém, pelo fato de as perdas de carga poratrito serem fontes menos significativas deirreversibilidades, nós as ignoraremos nasdiscussões subsequentes e, por simplicidade,mostraremos o escoamento através dostrocadores de calor como ocorre à pressãoconstante.

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Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás

◦A medida que os efeitos dasirreversibilidades na turbina e compressorficam mais pronunciados, o trabalhoproduzido pela turbina decresce e otrabalho fornecido ao compressor aumentaresultando em um decréscimo acentuadono trabalho líquido da instalação depotência.

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Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás

◦Após décadas de esforço dedesenvolvimento, eficiências de 80 a 90%podem agora ser obtidas nas turbinas ecompressores em instalações de potênciacom turbinas a gás.

◦As eficiências isentrópicas da turbina e docompressão são dadas por:

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Ciclo de Ar-Padrão BraytonExemplo 9.4

◦Ar é o fluido de de trabalho em umciclo Brayton com uma vazãovolumétrica de 5m³/s. Para umarelação de compressão de 10,determine:◦A eficiência do ciclo;

◦A razão de trabalho reverso;

◦ Potência líquida produzida.

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Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a GásExemplo 9.6

◦Considerando o exemplo 9.4, admitaque a eficiência isentrópica da turbinae do compressor é de 80%.Determine:◦A eficiência do ciclo;

◦A razão de trabalho reverso;

◦ Potência líquida produzida.

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Turbina a Gás Regenerativas◦ A temperatura de saída de uma turbina a gás é

normalmente bem acima da temperaturaambiente. Consequentemente, o gás quente deescape da turbina possui um potencial para uso(exergia) que seria irremediavelmente perdidose o gás fosse descarregado diretamente para asvizinhanças.

◦ Uma maneira de utilizar este potencial é porintermédio de um trocador de calor chamado deregenerador, o qual permite que o ar que deixao compressor seja preaquecido antes de entrarno combustor, reduzindo, desta forma, aquantidade de combustível que deve serqueimada no combustor.

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Turbina a Gás Regenerativas◦Com a inclusão do Regenerador ocalor que entra passa a ser:

◦O trabalho líquido produzido porunidade de vazão em massa não éalterado pela inclusão de umregenerador. Logo, já que o caloradicionado é reduzido, a eficiênciaaumenta.

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Turbina a Gás Regenerativas◦A efetividade do regenerador édefinida como a razão entre oaumento real de entalpia do arescoando através do lado docompressor do regenerador e oaumento máximo teórico de entalpia.

◦A decisão de adicionar umregenerador é prioritariamenteeconômica.

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Turbina a Gás Com Reaquecimento◦Por razões metalúrgicas, a temperatura

dos produtos de combustão gasosos queentram na turbina deve ser limitada.Esta temperatura pode ser controladafornecendo-se ar em quantidades acimada necessária para a do combustível nocombustor.

◦Como consequência, os gases quedeixam o combustor contêm arsuficiente para suportar a combustão decombustível adicional.

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Turbina a Gás Com Reaquecimento

◦Algumas instalações de potência a gástiram vantagem do excesso de ar porintermédio de uma turbina demúltiplos estágios com um combustorcom reaquecimento entre os estágios.Com este arranjo, o trabalho líquidopor unidade de massa escoando podeser aumentado.

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Turbina a Gás Com Reaquecimento

◦O trabalho liquido do ciclo comreaquecimento é maior do queaquele do ciclo sem reaquecimento.

◦Apesar do aumento do trabalholíquido com o reaquecimento, aeficiência térmica do ciclo nãonecessariamente aumentaria porqueseria exigida uma maior adição decalor total.

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Turbina a Gás Com Reaquecimento

◦Porém, a temperatura na saída daturbina é maior com reaquecimentodo que sem este, portanto o potencialpara regeneração é aumentado.Quando se utiliza reaquecimento eregeneração conjuntamente, aeficiência térmica pode aumentar demodo significativo.

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Compressor Com Inter-Resfriamento

◦O trabalho líquido produzido por umaturbina a gás também pode seraumentado reduzindo-se o trabalhofornecido ao compressor. Isto pode serobtido através de compressão emmúltiplos estágios com inter-resfriamento.

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Compressor Com Inter-Resfriamento

◦O trabalho de compressão adiabático émaior que o isentrópico, isto pode serevidenciado no gráfico ao lado.

◦Embora resfriar um gás à medida queele é comprimido reduza o trabalho,uma taxa de transferência de calorgrande o suficiente para efetuar umaredução significativa de trabalho édifícil de ser obtida na prática.

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Compressor Com Inter-Resfriamento

◦Uma alternativa prática é separar asinterações de calor e trabalho em processosdistintos, permitindo que a compressãoocorra em estágios com trocadores de calor,chamados inter-resfriadores que resfriam ogás entre os estágios.

◦Porém, a compressão com inter-resfriamento,por si só, não aumentaria necessariamente aeficiência térmica de uma turbina a gásporque a temperatura de admissão do ar nocombustor seria reduzida, o que exigiria maisenergia de entrada no aquecedor.

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Reaquecimento e Inter-Resfriamento

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Reaquecimento e Inter-ResfriamentoExemplo 9.11

◦ Uma turbina a gás regenerativa cominter-resfriamento e reaquecimentoopera em regime permanente. O arpossui uma vazão de 5,807Kg/s. A relaçãode compressão do compressor de doisestágios é de 10. A relação de expansãoda turbina de dois estágio também é de10. A eficiência isentrópica docompressor e da turbina é de 0,8. O arresfriado volta ao segundo estágio docompressor com 300K. A efetividade doregenerador é de 0,8. Determine:◦ A eficiência térmica do ciclo;◦ A razão de trabalho reverso;◦ A potência líquida produzida, em KW.

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Ciclo de Propulsão a Jato Ideais◦O ciclo de propulsão a jato ideal

difere do ciclo Brayton simples ideal,uma vez que os gases não seexpandem até a pressão ambiente nointerior da turbina.

◦Em vez disso, eles se expandem atéuma pressão na qual a potênciaproduzida pela turbina é suficienteapenas para acionar o compressor eequipamentos auxiliares, como umgerador pequeno e bombashidráulicas.

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Ciclo de Propulsão a Jato Ideais◦Aviões são acionados pela aceleração de um

fluido na direção oposta ao movimento.◦No caso ideal, o trabalho da turbina é

considerado igual ao trabalho do compressor.◦O empuxo desenvolvido por um motor

turbojato é a força resultante da diferençaentre as quantidades de movimento do ar àbaixa velocidade que entra no motor e os gasesde exaustão que deixam o motor a uma altavelocidade, e é determinado pela segunda leide Newton.

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Ciclo de Propulsão a Jato Ideais◦Para um avião em velocidade de cruzeiroconstante o empuxo é usado para superar oarrasto do ar, e a força líquida que age sobreo corpo do avião é zero.◦Os aviões comerciais economizamcombustível voando a altitudes maioresdurante as viagens mais longas, una vez queo ar a altitudes maiores é mais rarefeito eexerce uma força de arrasto menor sobre oavião.

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Ciclo de Propulsão a Jato Ideais◦A potência decorrente do empuxo do avião é chamada depotência de propulsão WP, que é a força de propulsão (empuxo)vezes a distância ao longo da qual essa força age sobre o aviãopor unidade de tempo, ou seja o empuxo vezes a velocidade doavião.

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Ciclo de Propulsão a Jato Ideais◦O resultado desejado de um turbojato é a potência produzidapara deslocar o avião WP, e a entrada necessária é o podercalorífico do combustível. A razão entre essas duas grandezas échamada de eficiência de propulsão e é dada por:

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Modificações Em Motores Turbojatos◦O motor mais utilizado na propulsão de

aviões é o turbofan (ou fanjet) no qualum grande ventilador movido pelaturbina força uma quantidadeconsiderável de ar através de um dutoque envolve o motor.

◦Os gases descarregados pelo ventiladordeixam o duto a uma velocidade maisalta, aumentando significativamente oempuxo total do motor.

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Modificações Em Motores Turbojatos◦O motor turbofan de um avião odeser distinguindo de um turbojatomenos eficiente pela grandecarenagem que cobre o grandeventilador.◦Todo o empuxo de Compressor debaixa pressão um turbojato é geradopelos gases de exaustão que deixamo motor com cerca de duas vezes avelocidade do som.

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Modificações Em Motores Turbojatos◦A razão entre a vazão em massa dear que não escoa pela câmara decombustão e a vazão de ar que escoaatravés dela é chamada de razão dediluição.◦O aumento da razão de diluição deum motor turbofan aumenta oempuxo. Assim, faz sentido removera carenagem do ventilador, e oresultado é um motor propjet.

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Modificações Em Motores Turbojatos◦Os motores turbofan e o propjetdiferem principalmente nas razões dediluição: 5 ou 6 para os turbofans e até100 para os propjets.◦Como regra geral, os motores a hélicesão mais eficientes do que aqueles ajato, mas se limitam à operação embaixa velocidade e altitude, uma vez quesua eficiência diminui em velocidades ealtitudes maiores.

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Modificações Em Motores Turbojatos◦ Outra modificação conhecida na aviação

militar é a adição de uma câmara decombustão entre a turbina e o bocal.

◦ Como resultado dessa energia extra, osgases de exaustão saem com velocidademais alta, oferecendo maior empuxo.

◦ Um motor ramjet é um duto comformato adequado sem nenhumcompressor ou turbina.

◦ Ele é usado para a propulsão a altavelocidade em aeronaves.

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Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

◦Um ciclo de potência combinadoacopla dois ciclos de potência de talforma que a energia descarregadaatravés de calor de um dos ciclos éusada parcial ou completamentecomo a energia fornecida ao outrociclo.

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Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

◦Um ciclo de potênciacombinado acopla doisciclos de potência de talforma que a energiadescarregada através decalor de um dos ciclos éusada parcial oucompletamente como aenergia fornecida ao outrociclo.

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Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

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Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

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Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

◦A relação para a energia transferida dociclo de gás ao ciclo de vapor para osistema mostrado ao lado é obtida pelaaplicação dos balanços de massa eenergia a um volume de controleenglobando o trocador de calor.

◦Para operação em regime permanente,transferência de calor de ou para asvizinhanças desprezível e nenhumavariação significativa nas energias cinéticae potencial, o resultado é:

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Ciclo de Potência CombinadoExemplo 9.13

◦Para o ciclo ao lado, sabe-se que apotência líquida produzida é de 45MW.

◦Determine:◦As vazões mássicas do ar e do vapor d’água,

ambas em Kg/s, e a potência líquidaproduzida pelos ciclos de potência a gás e avapor, ambos em MW.

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