Slide - Ciclos de Potência a Gás Parte 4 Ciclo Brayton - 2024-1

Ciclos de potência a gás Parte 4 – Ciclo Brayton Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não esqueça de entregar a Atividade Semanal (Nome) • Moodle • Adaptação de calendário (Calma!) • Oportunidade de Iniciação Científica 2 Bibliografia Material Complementar: • Recomendação de Leitura – Apostila Poli/SISEA (Prof. Dr. José R Simões Moreira) • https://www.youtube.com/watch?v=KVjtFXWe9Eo Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 9 3 Conceitos fundamentais 4 • Melhoria do desempenho - Ciclo de Brayton ➢ turbinas a gás regenerativas ➢ com reaquecimento ➢ com inter-resfriamento • Ciclos combinados Revisão 5 Instalações de Potência com Turbinas a Gás Modo fechado Modo aberto Revisão • Ciclo padrão a ar 6 1. Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo. Considerado gás ideal. 2. Não há entrada e saída de ar. Ar segue circuito fechado 5. Os calores específicos (𝐶𝑣 e 𝐶𝑝) do ar são considerados constantes e avaliados na temperatura ambiente (análise de ar-padrão frio). 3. Combustão é substituída por aquecimento proveniente de fonte externa. Exaustão do ar é substituída por resfriamento rápido 4. Todos os processos são internamente reversíveis. Revisão 7 • Ciclo de ar-padrão Brayton 1-2: Compressão isentrópica do ar. 2-3: Adição de calor a pressão constante. 3-4: Expansão isentrópica do ar. 4-1: Rejeição de calor a pressão constante. • Análise de ar-padrão (Ciclo Brayton) 8 Revisão Atenção à convenção de sinais 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑚 = ℎ4 − ℎ1 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = ℎ3 − ℎ2 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑚 = ℎ3 − ℎ4 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 = ℎ2 − ℎ1 9 Revisão Eficiência térmica (η𝑡) η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄23 • Análise de ar-padrão η𝑡 = 1 − 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑄𝑒𝑛𝑡 = 1 − (ℎ4 − ℎ1) (ℎ3 − ℎ2) = ℎ3 − ℎ4 − (ℎ2 − ℎ1) ℎ3 − ℎ2 10 Revisão ➢ O aumento de 𝑟𝑝 = 𝑝𝑚𝑎𝑥/𝑝𝑚𝑖𝑛 implica em aumento da temperatura média de adição de calor 𝑇2 → 𝑇2′ ↑ 𝑟𝑝 → ↑ η𝑡 Figura: Moran e Shapiro (2018) • Efeitos da 𝑟𝑝 sobre o desempenho Onde: 𝑟𝑝 = Τ 𝑝𝑚𝑎𝑥 𝑝𝑚𝑖𝑛 = Τ 𝑝2 𝑝1 = 𝑝3/𝑝4. 11 Revisão ➢O que acontece se fixarmos 𝑇𝑚𝑎𝑥? Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) • Efeitos da 𝑟𝑝 sobre o desempenho O trabalho líquido diminui: 𝑊𝑙𝑖𝑞𝐴 < 𝑊𝑙𝑖𝑞𝐵 Ciclo Brayton 12 • Modificações em plantas de potência Qual é o objetivo de realizar modificações em instalações de potência? Inicialmente, considera-se aumento da eficiência térmica como principal. Contudo, isso nem sempre se concretiza. ➢ Aumentar o trabalho líquido ➢ Reduzir o consumo de combustível ➢ Preservar e facilitar a manutenção de componentes da instalação Ciclo Brayton 13 • Turbinas a gás regenerativas Esse gás quente de escape possui potencial de uso que seria perdido se o gás fosse descarregado diretamente para as vizinhanças. A temperatura de exaustão dos gases de uma turbina a gás é bastante elevada, normalmente bem acima da temperatura ambiente. Brayton ideal – Planta Simples O que fazer? Ciclo Brayton 14 • Turbinas a gás regenerativas ➢ Uma forma de recuperar parte desta energia é utilizando um regenerador. ➢ O objetivo é pré-aquecer o ar que sai do compressor antes de entrar na câmara de combustão. 2-X: Regenerador pré-aquece ar de 2 → 𝑥 X-3: Câmara de combustão fornece calor ao ar para ir de 𝑥 → 3. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Processos: Ciclo Brayton 15 • Turbinas a gás regenerativas Quais as implicações práticas dessa modificação? 𝑸𝒆𝒏𝒕 somente para aumentar a temperatura do ar do estado 𝑥 → 3. 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = ℎ3 − ℎ𝑥 Reduz a quantidade de combustível que deve ser queimada no combustor. Figura: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 16 • Turbinas a gás regenerativas Quais as implicações práticas dessa modificação? O 𝑾𝒍𝒊𝒒 não é alterado com a inclusão do regenerador, mas como o 𝑸𝒆𝒏𝒕 é reduzido, a eficiência térmica aumenta. Eficiência térmica (η𝑡) η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄𝑒𝑛𝑡 = ℎ3 − ℎ4 − (ℎ2 − ℎ1) ℎ3 − ℎ𝑥 17 Ciclo Brayton Razão do trabalho reverso (bwr) 𝑏𝑤𝑟 = 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 Como o Τ 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 e da Τ 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑚 não se modificam com a adição do regenerador à planta de potência, a razão bwr não é alterada. = (ℎ2 − ℎ1) ℎ3 − ℎ4 • Turbinas a gás regenerativas Ciclo Brayton 18 • Turbinas a gás regenerativas Efetividade do regenerador Parâmetro que mede o afastamento de um regenerador real em relação a tal regenerador ideal. Idealmente: 𝑻𝒙 → 𝑻𝟒 Porém, isso é impossível. Seria necessário que o regenerador tivesse uma área de troca de calor infinita. 𝜂𝑟𝑒𝑔 = ℎ𝑥 − ℎ2 ℎ4 − ℎ2 Figura: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 19 • Turbinas a gás regenerativas Efetividade do regenerador • O aumento da área de troca de calor pode ser positivo para uma maior eficiência, visto que 𝑻𝒙 → 𝑻𝟒 . Entretanto, isso pode resultar em grandes perdas por atrito, afetando o desempenho global. Lembre-se do conceito de irreversibilidade. • Além disso, maiores trocadores de calor são consideravelmente mais caros, e a decisão de adicionar um regenerador é principalmente econômica. • Na prática, valores típicos de 60 a 80% são encontrados para 𝜼𝒓𝒆𝒈. Ciclo Brayton 20 • Turbinas a gás com reaquecimento Reaquecimento intermediário do gás Condição: excesso de ar na 1ª combustão para queima no combustor de reaquecimento. Modificações: • Turbina de múltiplos estágios • Adição de reaquecedor (es) Figura: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 21 • Turbinas a gás com reaquecimento Reaquecimento intermediário do gás 3-a: O gás se expande na turbina (Estágio 1) até atingir um valor de pressão intermediário entre 𝑝𝑚á𝑥 e 𝑃𝑚𝑖𝑛. a-b: O gás é reaquecido a pressão constante b-4: A expansão é então completada na turbina de segundo estágio (𝑃𝑚𝑖𝑛). A(1-2-3-a-b-4-1) > A(1-2-3-4’-1) Aumento do 𝑾𝒍𝒊𝒒 Não necessariamente há aumento 𝜼𝒕 Aumento do 𝑸𝒆𝒏𝒕 Temp. na saída da turbina 𝑻𝟒 > 𝑻𝟒′ ↑ Potencial de regeneração Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 22 • Turbinas a gás: Reaquecim. + Regen. Quando se utilizam reaquecimento e regeneração conjuntamente, a eficiência térmica pode aumentar significativamente. η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄𝑒𝑛𝑡 η𝑡 = 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏1 + 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏2 − 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑄𝑥3 + 𝑄𝑎𝑏 η𝑡 = ℎ3 − ℎ𝑎 + ℎ𝑏 − ℎ4 − (ℎ2 − ℎ1) ℎ3 − ℎ𝑥 + (ℎ𝑏 − ℎ𝑎) Sugestão de atividade: Exemplo resolvido 9.8 Moran Shapiro 8ª Ed. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 23 • Compressão com inter-resfriamento Trabalho de compressão 𝑊𝑐 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = න 1 2 𝑣 ⅆ𝑝 A área a esquerda da curva é igual a magnitude do trabalho por unidade de massa. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 24 • Compressão com inter-resfriamento O resfriamento do ar durante a compressão diminui o trabalho do compressor. 𝑊𝑐 𝑚 1−2 < 𝑊𝑐 m 1−2′ Trabalho de compressão Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 25 • Compressão com inter-resfriamento Na prática, é muito complexo controlar as interações de calor e trabalho simultaneamente. Desta forma, é conveniente separar essas interações em processos distintos. Compressão em múltiplos estágios com inter-resfriadores intercalados. Como fazer isso? Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 26 • Compressão com inter-resfriamento 1-c: Compressão isentrópica de 1 → 𝑐. (𝑝𝑖) c-d: Resfriamento a pressão constante de 𝑻𝒄 para 𝑻𝒅. d-2: compressão isentrópica de ⅆ → 2. (𝑝2) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo Brayton 27 • Compressão com inter-resfriamento Redução 𝑾𝒄omp através do inter-resfriamento: Consequências do inter-resfriamento A(1-2’-a-b-1) - A(1-c-d-2-a-b-1) = A(c-d-2-2’-c) ➢ Aumento do 𝑾liquido ➢ Aumento da eficiência térmica? Não necessariamente A temperatura de admissão de ar no combustor reduz (𝑇2′ → 𝑇2). Isto implica em uma transferência de calor adicional (consumo de combustível adicional) para alcançar a temperatura de entrada na turbina. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) ??? Ciclo Brayton 28 • Compressão com inter-resfriamento Consequências práticas do inter-resfriamento ➢ O resfriamento do ar durante a compressão diminui o trabalho do compressor → diminui a carga do compressor (compressores menores), facilitando o projeto e a manutenção do mesmo. ➢ A temperatura mais baixa na saída do compressor (𝑇2) aumenta o potencial para regeneração, de forma que, quando o inter- resfriamento é utilizado em conjunto com a regeneração, é verificado aumento significativo de eficiência térmica. Ciclo Brayton 29 • Associação de modificações Aumentos significativos na eficiência térmica de instalações de potência de turbina a gás são alcançados através de inter-resfriamento, reaquecimento e regeneração. Sugestão de atividade: Exemplo resolvido 9.11 Moran Shapiro 8ª Ed. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Material Complementar: • https://www.youtube.com/watch?v=KVjtFXWe9Eo Ciclo Brayton 30 • Ciclos combinados O gás quente de escape possui potencial de uso que seria perdido se o gás fosse descarregado diretamente para as vizinhanças. O que fazer? Ciclo Brayton 31 • Ciclos combinados O gás quente de escape possui potencial de uso que seria perdido se o gás fosse descarregado diretamente para as vizinhanças. A elevada temperatura média de adição de calor da turbina a gás e a baixa temperatura média de rejeição de calor do ciclo de vapor propiciam uma eficiência média maior do que qualquer um dos ciclos teria individualmente. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) η𝑡 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = 𝑊𝑔𝑎𝑠 + 𝑊𝑣𝑎𝑝 𝑄𝑒𝑛𝑡 What’s next? • Sistemas de potência a gás – Turbinas a gás para propulsão 32