Aula 12: Turbina a Gás e Ciclo Brayton

Aula 12 TURBINA A GÁS E CICLO BRAYTON Disciplina de Máquinas Térmicas CH 60 h CRE 04 Prérequisitos s Termodinâmica II e Transferência de Calor e Massa Universidade Federal da Paraíba Curso de Engenharia de Energias Renováveis 20231 Profª Taynara Geysa Silva do Lago taynaracearufpbbr 2 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton HISTÓRICO O desenvolvimento inicial das turbinas ocorreu primeiramente com as turbinas hidráulicas e vapor estes foram os primeiros equipamentos deste segmento utilizados para a produção de potência hoje em dia é fato o avanço das turbinas a gás sendo estas utilizadas isoladamente ou em ciclos combinados Alguns exemplos podem ser detectados na história da humanidade quanto a utilização dos gases quentes como fluido de trabalho Dentre os mais antigos vale destacar o exemplo de Leonardo Da Vinci que por volta de 1500 DC elaborou um esquema de um dispositivo que poderia utilizar os gases quentes rejeitados para uma chaminé para promover rotacionamento de um alimento a ser assado 3 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton HISTÓRICO Muito tempo depois em 1791 um inglês chamado John Barber desenvolveu um equipamento que incorporava muitos elementos de uma turbina a gás moderna porém utilizava um compressor alternativo Outros equipamentos foram desenvolvidos durante a mesma época mas não poderiam ser consideradas verdadeiras turbinas a gás devido ao fato que utilizavam vapor em um certo ponto do processo 4 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton HISTÓRICO Em 1872 Stolze desenhou a primeira turbina a gás Este equipamento possuía compressão em varias etapas com fluxo axial Outros desenvolvimentos foram notados após as grandes guerras mundiais onde na Alemanha e Inglaterra se desenvolvem as primeiras turbinas para propulsão de aviões 5 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton DEFINIÇÃO A turbina a gás TG é definida como sendo uma máquina térmica onde a energia potencial termodinâmica contida nos gases quentes provenientes de uma combustão é convertida em trabalho mecânico ou utilizada para propulsão 6 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton DEFINIÇÃO Desta forma as turbinas a gás são máquinas tecnicamente muito complexas com inúmeras partes móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e controle eletrônico visando basicamente a conversão da energia contida no combustível em potência de eixo 7 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CARACTERÍSTICA As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases quentes produto da combustão o que dispensa a utilização de um fluido de trabalho intermediário como o vapor ou outro fluído Isto leva a unidades mais compactas para os mesmos níveis de produção de potência Não apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado assim não se recomenda a utilização dos que produzem resíduos sólidos cinzas pois podem comprometer elementos do equipamento 8 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton PARTES COMPONENTES As principais partes componentes da turbina a gás são Compressor Câmara de combustão Turbina 9 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton PARTES COMPONENTES Outras partes são Linha de admissão de ar e combustível Carcaça Pás Difusor e linha de exaustão 10 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton FUNCIONAMENTO As TGs funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado O ar entra no compressor onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e consequentemente também aumento de temperatura Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar energia cinética e uma fileira de palhetas estáticas que converte a energia cinética em aumento de pressão O ar pressurizado e aquecido segue para as câmara de combustão onde também é alimentado com um combustível que pode ser gasoso ou líquido Na combustão ocorre um aumento de temperatura a pressão constante produzindo um aumento de volume do fluxo de gases 11 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton FUNCIONAMENTO Estes gases quentes e pressurizados acionam a turbina de potência gerando trabalho mecânico Depois os gases ainda quentes são finalmente liberados ainda em alta temperatura Nas turbinas a gás o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial tipicamente com 17 ou 18 estágios de compressão Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar energia cinética e uma fileira de palhetas estáticas que utiliza a energia cinética para compressão O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300C e 450C 12 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton FUNCIONAMENTO Cerca de metade da potência produzida pela turbina de potência é utilizada no acionamento do compressor e o restante é a potência líquida gerada que movimenta um gerador elétrico Saindo da câmara de combustão os gases têm temperatura de até 1250C Após passar pela turbina os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 celsius Considerando isso as termelétrica mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial através de um segundo ciclo termodinâmico a vapor ou Ciclo Rankine Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado de eficiência térmica frequentemente superior a 60 ciclos simples a gás têm tipicamente 35 13 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton FUNCIONAMENTO Turbinas projetadas para operar em ciclo simples tendo em vista a eficiência térmica do ciclo têm temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e têm otimizada taxa de compressão A taxa de compressão é a relação entre a pressão do ar na entrada da turbina e na saída do compressor Por exemplo se o ar entra a 1 atm e deixa o compressor a 15 atm a taxa de compressão é de 115 A passagem dos gases quentes gera forças que aplicadas às pás da turbina determinam um momento motor resultante que faz girar o rotor 14 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton FUNCIONAMENTO 15 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton UTILIZAÇÃO São usadas principalmente para o acionamento de geradores elétricos e propulsão aérea e marítima 16 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CLASSIFICAÇÃO A classificação das turbinas a gás é normalmente feita segundo Condições de emprego estacionária ou de propulsão Ciclo aberto fechado semifechado Outros Arranjo tipo de combustível velocidade de rotação pressão 17 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO Turbinas a gás dedicadas à geração de energia elétrica são divididas em duas principais categorias no que se refere à concepção São elas as pesadas Heavyduty desenvolvidas especificamente para a geração de energia elétrica ou propulsão naval e as aeroderivativas desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas Existem ainda as microturbinas dedicadas à geração descentralizada de energia elétrica 18 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO 19 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO 20 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO 21 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO 22 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO Geralmente dimensionase 2 TG para 1TV todas com a mesma potência 23 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO Classificação de turbinas a gás aeronáticas ELSAYED 2017 24 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO 25 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO httpswwwaircraftsystemstechcompgasturbineenginestypesandhtml TURBOJATO TURBOFAN 26 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO httpswwwaircraftsystemstechcompgasturbineenginestypesandhtml 27 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO httpswwwaircraftsystemstechcompgasturbineenginestypesandhtml TURBOÉLICES 28 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO httpswwwaircraftsystemstechcompgasturbineenginestypesandhtml TURBOEIXOS 29 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO Pratt Wittney PT6 O motor mais utilizado mundialmente na propulsão de helicópteros e aviões turboélices GE LM6000 Motor aero derivado utilizado na propulsão naval e no setor de exploração de petróleo offshore Turbina a gás construída especificamente para a geração de energia 30 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton CONDIÇÕES DE EMPREGO 31 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS 32 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Ciclo Brayton O Ciclo Brayton é o ciclo ideal dos motores de turbina a gás 33 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Ciclo Brayton Motores de turbina a gás reais operam em um ciclo aberto O ciclo Brayton foi proposto por George Brayton para ser utilizado no motor alternativo desenvolvido por ele em 1870 Hoje é apenas usado em turbinas a gás nas quais os processos de compressão e expansão ocorrem em um maquinário rotativo 34 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Análise Termodinâmica O ciclo de turbina a gás pode ser modelado como um ciclo fechado segundo as hipóteses do padrão a ar 12 Compressão a s cte 23 Fornecimento de calor a p cte 34 Expansão a s cte 41 Rejeição de calor a p cte 35 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Análise Termodinâmica 36 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Análise Termodinâmica 37 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Análise Termodinâmica 38 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Análise Termodinâmica Razão de consumo de trabalho costuma ser elevada nos motores de turbina a gás 39 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Análise Termodinâmica 1 Uma usina a turbina a gás ciclo Brayton ideal tem razão de pressão 8 A temperatura do gás é de 300 K na entrada do compressor e de 1300 K na entrada da turbina Considerando a variação dos calores específicos com a temperatura calcule a T nas saídas do compressor e da turbina b RCT c ηth 40 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Exemplo 41 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Exemplo 42 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Exemplo 43 21082023 Aula 12 Ciclo Brayton Exercício 2 Ar entra no compressor de um turbina a gás a 100 kPa e 25C Para uma razão de pressão igual a 5 e uma temperatura máxima de 850C determine a fração de trabalho razão de consumo de trabalho e a eficiência térmica para esse ciclo Brayton usando as equações de gás ideal