Slide Ciclos de Potência a Gás-2022 1

EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo Prof. Edson Bazzo Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia \mecânica Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos Florianópolis – SC EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de potência a gás: Ciclos Otto e ciclos Brayton. Cogeração em ciclos de potência a gás natural. Geração de vapor em caldeiras de recuperação. Conceitos relacionados a pinch point e approach point. Assuntos complementares. Universidade Federal de Santa Catarina Curso de Graduação em Engenharia Mecânica EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 2 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Potência a Gás Objetivos imediatos: ▪ Avaliar o desempenho de ciclos de potência a gás; ▪ Resolver problemas baseados em ciclos Otto e Brayton; ▪ Realizar análises termodinâmicas de ciclos abertos e fechados; ▪ Definir parâmetros relacionados à relação ar/combustível, gases de exaustão etc.; ▪ Definir e avaliar projetos conceituais envolvendo cogeração; ▪ Identificar hipóteses simplificativas para análises de primeira e segunda lei; ▪ Analisar os ciclos termodinâmicos sob a perspectiva da segunda lei; ▪ Outros (ciclos Diesel, Stirling e Ericsson). Obs.: Análise exergética e cálculos correspondentes à destruição de exergia nos ciclos de potência a gás serão objeto de discussão em aulas posteriores. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 3 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Potência a Gás Considerações básicas: ▪ O fluido de trabalho permanece na condição de gás ao longo do ciclo completo; ▪ A energia é proporcionada pela queima interna de combustível; ▪ A composição do fluido de trabalho muda de ar para gases de combustão; ▪ O problema é resolvido considerando comportamento de gás ideal; ▪ A presença de nitrogênio é predominante; ▪ Operação em ciclo aberto é característica básica de todas os motores de combustão interna. Ar AF = 𝑚𝐴𝑟 𝑚𝑐𝑏 CH4 x CO2 y H2O z O2 w N2 Ar: 21% O2 + 79% N2 (Em base molar) 23,15% O2 + 76,85% N2 (Em base mássica) A presença do oxigênio acusa combustão com excesso de ar EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 4 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Potência a Gás Fundamentos teóricos: Uma revisão completa dos conceitos básicos sobre motores de combustão interna e turbinas a gás está disponível na bibliografia recomendada. Diagrama T–s (Ideal) CICLO BRAYTON IDEAL 1-2 Compressão isentrópica; 2-3 Adição de calor á pressão constante 3-4 Expansão isentrópica 4-1 Rejeição de calor à pressão constante CICLO OTTO IDEAL 1-2 Compressão isentrópica; 2-3 Adição de calor á volume constante 3-4 Expansão isentrópica 4-1 Rejeição de calor à volume constante Diagrama T–s (Ideal) Fonte: Çengel&Boles, Thermodynamics: an engineering approach, 8ª.Ed., Chapter 9. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 5 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Potência a Gás: Ciclo Otto IDEAL Exemplo 9-2 (Çengel & Boles) Considere um Ciclo Otto IDEAL com razão de compressão igual a 8. Calor correspondente a 800 kJ/kg é entregue a 100 kPa e 17°C. Determine: (a) A máxima temperatura e máxima pressão que ocorre no ciclo, (b) o trabalho líquido produzido, (c) a eficiência térmica e (d) a pressão média efetiva do ciclo. Diagrama p–v (Ex. 9-2) Fonte: Çengel&Boles, Thermodynamics: an engineering approach, 8ª.Ed., Chapter 9. Hipóteses: 1. Ar como fluido de trabalho em todo o ciclo; 2. Energias potencial e cinética negligenciáveis; 3. Calor específico é função da temperatura, Respostas: (a) T3 = 1571,5 K; p3 = 4,345 MPa; (b) W = 418,17 kJ/kg; (c) 𝜂 = 56,5%; (d) MEP = 574 kPa. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 6 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Potência a Gás: Ciclo Brayton Ideal Exemplo 9-5 (Çengel & Boles) Considere um ciclo Brayton Ideal com razão de compressão igual a 8. As temperaturas do gás correspondem a 300 K na entrada do compressor e 1300 K na entrada da turbina. Determine: (a) As temperaturas do gás na saída do compressor e saída da turbina, (b) o trabalho realizado pela turbina e o trabalho de compressão e (c) a eficiência térmica do ciclo. Diagrama T-s (Ex. 9-5) Fonte: Çengel&Boles, Thermodynamics: an engineering approach, 8ª.Ed., Chapter 9. Hipóteses: 1. Operação em regime permanente; 2. Ar como fluido de trabalho em todo o ciclo; 3. Energias potencial e cinética negligenciáveis; 4. Calor específico é função da temperatura. Respostas: (a) T2 = 540 K; T4 = 770 K; (b) WT = 606,60 kJ/kg; WC = 244,16 kJ/kg; (c) 𝜂 = 42,6%. Obs.: A razão de consumo do trabalho total realizado pela turbina é igual a 0,403. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 7 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Potência a Gás: Ciclo Brayton Real Exemplo 9-6 (Çengel & Boles) Considere agora que o ciclo Brayton opere em condição REAL, assumindo eficiência do compressor igual a 80% e eficiência da turbina igual a 85%. Determine: (a) As temperaturas do gás na saída do compressor e saída da turbina, (b) o trabalho realizado pela turbina e o trabalho de compressão e (c) a eficiência térmica do ciclo. Diagrama T-s (Ex. 9-6) Fonte: Çengel&Boles, Thermodynamics: an engineering approach, 8ª.Ed., Chapter 9. Hipóteses: 1. Operação em regime permanente; 2. Ar como fluido de trabalho em todo o ciclo; 3. Energias potencial e cinética negligenciáveis; 4. Calor específico é função da temperatura. Respostas: (a) T2a = 598 K; T4a = 853 K; (b) WT = 515,61 kJ/kg; WC = 305,20 kJ/kg; (c) 𝜂 = 26,6%. Obs.: A razão de consumo do trabalho total realizado pela turbina é igual a 0,592. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 8 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos Brayton Avançados O trabalho líquido produzido em um ciclo de turbina a gás é a diferença entre o trabalho produzido e o trabalho consumido no compressor. O trabalho líquido pode ser consideravelmente aumentado diminuindo o trabalho do compressor, ou aumentando o trabalho produzido na turbina ou ambos. Isso é possível usando compressão de múltiplos estágios com resfriamento intermediário, como também usando expansão de múltiplos estágios com reaquecimento. O trabalho de compressão é proporcional ou expansão é proporcional ao volume específico do fluido de trabalho. Fonte: Çengel&Boles, Thermodynamics: an engineering approach, 8ª.Ed., Chapter 9. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 9 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclos de Propulsão a Jato As turbinas a gás leves e compactas são amplamente utilizadas em aviões por conta da sua alta relação potência-peso. Elas operam em ciclo aberto chamado de ciclo de propulsão a jato. O ciclo de propulsão a jato difere do ciclo Brayton simples, uma vez que os gases não se expandem até a pressão ambiente no interior da turbina. A expansão ocorre até o limite requerido para produzir potência suficiente para acionar o compressor e atender equipamentos auxiliares. O trabalho líquido produzido é zero. Os gases deixam a turbina a uma pressão relativamente alta e são acelerados em um bocal para fornecer o empuxo requerido para mover o avião. As razões de compressão são geralmente altas, na faixa de 10 a 25. O fluido de trabalho passa primeiro por um difusor desenhado para promover uma desaceleração e um aumento da pressão antes de entrar no compressor. Fonte: Çengel&Boles, Thermodynamics: an engineering approach, 8ª.Ed., Chapter 9. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 10 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Motores de Combustão Interna: Ciclo Otto Os dados técnicos relacionados a desempenho do grupo gerador, sistema de resfriamento, processo de combustão e balanço de energia estão geralmente disponíveis nos catálogos: Potência, kWe Eficiência elétrica, % Eficiência térmica, % Vazão ar de combustão, kg/s Vazão dos gases de exaustão, kg/s Temperatura dos gases de exaustão, 0C Vazão água resfriamento, m3/h Temperaturas entrada/saída, 0C Caterpillar Gas genset CG170-12 / 1200 kW EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 11 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Otto e Cogeração MCI - Motor Caterpillar CG170-12 / 1200 kW HRSG TC ECO MCI MCI – Motor de combustão interna HRSG – Caldeira de recuperação TC – Trocador de calor Exemplo: Produção de eletricidade, vapor saturado e água quente EVA EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 12 01/05/2022 13:04 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Otto e Cogeração Exemplo: Produção de eletricidade, vapor superaquecido e água quente HRSG TC MCI Vapor superaquecido Água quente Gás natural Ar Retorno EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 13 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Turbinas a Gás: Ciclo Brayton O Desempenho e potência líquida gerada pelas turbinas a gás dependem das condições atmosféricas (pressão, temperatura e umidade relativa do ar). O melhor desempenho é obtido em operação nas condições ISO (Internacional Standard Organization): 101,325 kPa, 15 0C e 60% umidade relativa do ar. Solar Turbines Inc. (Caterpillar Co.) https://www.solarturbines.com/en_US /products/gas-turbines.html EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 14 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Turbinas a Gás: Ciclo Brayton GE LM6000 Potência: 53 a 58 MW Heat Rate = 8.726 kJ/kW-hr GE LM2500 Potência: 22,7 MW Heat Rate = 10.024 kJ/kW-hr Eficiência = 35,9% GE LMS100 Potência: 117 MW Heat Rate = 8.143 kJ/kW-hr Eficiência = 44,3% Gases exaustão: 234,5 kg/s; 432 ºC https://www.ge.com/power/gas/gas- turbines/tm2500 EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 15 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Brayton e Cogeração HRSG ECO TG TG – Turbina a gás HRSG – Caldeira de recuperação ECO – Trocador de calor 5 3 4 Gás natural Vapor saturado Condensado (Retorno) Eletricidade 12 10 11 Exemplo de turbina a gás integrada a uma caldeira de recuperação de calor: SATURN 20 (dados ISO): Potência: 1,20 MW Heat Rate: 14.800 kJ/kWe-h Gases exaustão: 6,5 kg/s, 506ºC 1 2 Ao projetar a caldeira de recuperação, para se garantir coerência e não violar a Segunda Lei da Termodinâmica, tem-se T4 > T12: T4 = T12 + PinchPoint O condensado de retorno pode ser pré-aquecido no economizador (ECO). Por questões técnicas e econômicas, deve-se considerar T11 < T12: T11 = T12 - ApproachPoint Os valores de PinchPoint e ApproachPoint são arbitrados tendo-se em conta questões de ordem econômica. Tambor Separador EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 16 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Brayton e Cogeração – Exercício 1 HRSG ECO TG 5 3 4 Gás natural Vapor saturado Condensado (Retorno: 50 a 70ºC) Eletricidade 12 10 11 Turbina: SATURN 20 (dados ISO): Potência: 1,20 MW Heat Rate: 14.800 kJ/kWe-h Gases exaustão: 6,5 kg/s, 506ºC Gás Natural: CH4 = 90%vol C2H6 = 10%vol Considerando o modelo de turbina Saturn 20, calcule: a) O consumo de gás natural; b) A capacidade de produção do vapor saturado (10 bar ef.); c) A temperatura dos gases na chaminé; d) O rendimento da planta de cogeração. Obs.: Arbitre todas informações julgadas necessárias para resolver o problema. 1 2 10 bar ef (11 bar abs) T12=f(pAbs) h12=f(pAbs) Obs.: Em geral, na maioria das instalações industriais, a temperatura de retorno de condensado varia entre 50 e 70ºC. EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 17 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Brayton e Cogeração – Exercício 1 HRSG ECO TG 5 3 4 Gás natural: Vapor saturado Condensado (Retorno) Eletricidade 12 10 11 1 2 We=1200 kW m3=6.5 kg/s T3=506 ºC m1=0,099 kg/s PCI=49.717 kJ/kg m2=m3-m1 kg/s Q3=? kW HeatRate=14.800 kJ/kWe-h 𝜂e=1/HeatRate/3600=0,2433 Turbina: SATURN 20 (dados ISO): Potência: 1,20 MW Heat Rate: 14.800 kJ/kWe-h Gases exaustão: 6,5 kg/s, 506ºC Gás Natural: CH4 = 90%vol C2H6 = 10%vol Q3=m1 PCI + m2 h2 - We - QAmb QAmb~ 0 kW G EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 18 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Brayton e Cogeração – Exercício 1 HRSG ECO TG 5 3 4 Gás natural: Vapor saturado Condensado (Retorno) Eletricidade 12 10 11 1 2 We=1200 kW m12=1,028 kg/s Q12=? kW m3=6.5 kg/s T3=506 ºC m1=0,099 kg/s PCI=49.717 kJ/kg m2=m3-m1 kg/s HeatRate=14.800 kJ/kWe-h 𝜂e=1/HeatRate/3600=0,2433 Turbina: SATURN 20 (dados ISO): Potência: 1,20 MW Heat Rate: 14.800 kJ/kWe-h Gases exaustão: 6,5 kg/s, 506ºC Gás Natural: CH4 = 90%vol C2H6 = 10%vol P12=11 bar T4=f(PinchPoint) T11=f(ApproachPoint) T4=T12 + PinchPoint T11=T12 - ApproachPoint Q3=m1 PCI + m2 h2 - We - QAmb T12=f(pAbs) h12=f(pAbs) Q12=m12 (h12-h11) Ex.: PinchPoint = 20ºC ApproachPoint = 20ºC EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 19 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Brayton e Cogeração – Exercício 1 HRSG ECO TG 5 3 4 Gás natural: Vapor saturado Condensado (Retorno: 60ºC Eletricidade 12 10 11 1 2 We=1200 kW m12=1,08 kg/s Q12= 2146 kW m1=0,099 kg/s PCI=49.717 kJ/kg m2=m3-m1 kg/s HeatRate=14.800 kJ/kWe-h 𝜂e=1/HeatRate/3600=0,2433 Turbina: SATURN 20 (dados ISO): Potência: 1,20 MW Heat Rate: 14.800 kJ/kWe-h Gases exaustão: 6,5 kg/s, 506ºC Gás Natural: CH4 = 90%vol C2H6 = 10%vol P12=11 bar T4=f(PinchPoint) T11=f(ApproachPoint) T4=T12 + PinchPoint T11=T12 - ApproachPoint T12=f(pAbs) h12=f(pAbs) = 2781 kJ/kg Q5=? kW T5=? ºC Q5=m5 (h4-h5) = m10 (h11-h10) m10 = m12 Q12=m12 (h12-h11) 𝜂Cog=100 (We + Q12)/ m1 PCI m3=6.5 kg/s T3=506 ºC Q3=m1 PCI + m2 h2 - We - QAmb Q5=? kW T5=140,2 ºC 𝜂Cog= 77% EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 20 01/05/2022 15:11 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Ciclo Brayton e Cogeração Exemplo: Produção de eletricidade e vapor superaquecido HRSG TG Vapor superaquecido Gás natural Ar Retorno SH ECO TV Tambor Separador EMC5418 – Termodinâmica Aplicada Prof. Edson Bazzo 21 01/05/2022 12:54 EMC 5418 – Termodinâmica Aplicada Bibliografia Bibliografia Básica E. Bazzo, Notas de Aula sobre Termodinâmica Aplicada, Curso de Graduação em Engenharia Mecânica, UFSC, 2020. Bibliografia Complementar Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey, Princípios de Termodinâmica para Engenharia, LTC, 8ª Ed. 2017. A.Y. Çengel, M.A. Boles, Thermodynamics: an engineering approach, McGraw Hill Co., 8ª Ed. 2015. Bazzo, Edson, Geração de Vapor, Editora UFSC, 2ªEd. 1996.