Ciclo Brayton e Turbinas a Gas - Maquinas Termicas

Prof MSc Eng J V Vares CENTRO UNIVERSITÁRIO RITTER DOS REIS FACULDADE DE ENGENHARIA DISCIPLINA DE MÁQUINAS TÉRMICAS Máquinas Térmicas Ciclos Termodinâmicos Ciclo Bryton Turbinas a Gás Prof João Vares CICLO DE POTÊNCIA A GÁS Ciclos de potência em que o fluido de trabalho permanece no estado gasoso durante todo o ciclo GAS TURBINE GE101 Prof João Vares TURBINAS A GÁS Mais leves e mais compactas que as turbinas a vapor Relação vantajosa entre potência e peso as torna interessantes para aplicações de propulsão Também são utilizadas para geração de potência estacionária TURBINE CHOICES GAS TURBINES ARE CHOSEN FOR MANY MAIN REASONS COMPACTNESS LIGHT WEIGHT HIGH POWER TO WEIGHT RATIO REASONABLE EFFICIENCY AND CAPABILITY OF RAPID STARTS THEY CAN BE USED EITHER AS SIMPLE CYCLE OR COMBINED CYCLE THE LATTER WHEN THEIR WASTE HEAT IS CAPTURED TO DRIVE A STEAM CYCLE COMBINED CYCLE POWER PLANTS GAS TURBINES CAN RUN ON GAS LIGHT OIL OR LIQUID FUELS MAKING THEM FLEXIBLE AND SUITABLE FOR MULTIPLE APPLICATIONS Prof João Vares TURBINAS A GÁS Instalações de potência com turbinas a gás podem operar em dois modos Aberto Fechado O modo aberto é o mais frequente Temse um motor no qual o ar é continuamente arrastado para um compressor em que é comprimido até uma pressão maior O ar então segue para uma câmara de combustão onde é misturado com combustível e resulta em um produto à alta T Prof João Vares TURBINAS A GÁS Os produtos da combustão são expandidos na turbina e em seguida descarregados nas vizinhanças Uma parcela do trabalho gerado é utilizado para acionar o compressor o excedente é disponibilizado para propósitos específicos Gerar eletricidade Impulsionar um veículo Prof João Vares TURBINAS A GÁS Quando opera no modo fechado o fluido de trabalho recebe de energia por transferência de calor de uma fonte externa O gás sai da turbina e passa por um trocador de calor onde é resfriado antes de entrar novamente no compressor Prof João Vares CICLO PADRÃO A AR Os sistemas de potência a gás são comumente idealizados por meio da análise de arpadrão Modelo simplificado para análise Assume que fluido de trabalho passa por ciclo termodinâmico Evitase complexidade da combustão Prof João Vares CICLO PADRÃO A AR CARACTERÍSTICAS Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo Considerado gás ideal Não há processos de admissão e exaustão O mesmo ar permanece dentro do motor Combustão é substituída por aquecimento proveniente de fonte externa Descompressão final é substituída por um resfriamento rápido Todos os processos são internamente reversíveis Calor específico do ar cte Prof João Vares CICLO BRAYTON Utilizado em modelos de turbojatos Geração de potência elétrica o uso de turbinas a gás é muito eficiente Engenharia naval grandes embarcações Prof João Vares CICLO BRAYTON Modelo para aplicações de turbinas a gás 4 processos internamente reversíveis Compressão isoentrópica Adição de calor p constante Expansão isoentrópica Rejeição de calor p constante Prof João Vares CICLO BRAYTON Modelo para aplicações de turbinas a gás 4 processos internamente reversíveis Prof João Vares COMO FUNCIONA UniRitter Prof João Vares CICLO BRAYTON 4 processos internamente reversíveis 12 compressão isoentrópica compressor 23 adição de calor p constante trocador de calor 34 expansão isoentrópica turbina 41 rejeição de calor p constante trocador de calor Prof João Vares CICLO BRAYTON Com as idealizações do arpadrão o ar entraria no compressor no estado 1 a partir das vizinhanças e ao final retornaria às vizinhanças no estado 4 com uma 𝑇 𝑇𝑎𝑚𝑏 Prof João Vares CICLO BRAYTON Depois de interagir com as vizinhanças o ar descarregado retornaria ao mesmo estado do ar que entra no compressor de maneira que se pode pensar no ar que escoa através dos componentes da turbina a gás como se ocorresse um ciclo termodinâmico Prof João Vares CICLO BRAYTON Para a representação simplificada dos estados percorridos pelo ar considerase o ar de saída da turbina como retornando ao estado de entrada do compressor por intermédio de sua passagem através de um trocador de calor Prof João Vares CICLO BRAYTON As expressões para as transferências de calor e trabalho considerando regime permanente são deduzidas pela simplificação dos balanços de energia e de massa para volume de controle As variações de energia cinética e potencial são desprezadas Prof João Vares CICLO BRAYTON Para o trabalho da turbina por unidade de massa temse ሶ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 𝒉𝟑 𝒉𝟒 Prof João Vares CICLO BRAYTON Para o trabalho do compressor por unidade de massa temse ሶ 𝑾𝒄 ሶ𝒎 𝒉𝟐 𝒉𝟏 Prof João Vares CICLO BRAYTON Para o calor adicionado por unidade de massa temse ሶ 𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂 ሶ𝒎 𝒉𝟑 𝒉𝟐 Prof João Vares CICLO BRAYTON Para o calor rejeitado por unidade de massa temse ሶ 𝑸𝒔𝒂𝒊 ሶ𝒎 𝒉𝟒 𝒉𝟏 Prof João Vares CICLO BRAYTON Para o rendimento temse 𝜼 ሶ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 ሶ𝑾𝒄 ሶ𝒎 ሶ 𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂 ሶ𝒎 𝒉𝟑𝒉𝟒 𝒉𝟐𝒉𝟏 𝒉𝟑 𝒉𝟐 𝜼 𝟏 𝒉𝟒 𝒉𝟏 𝒉𝟑 𝒉𝟐 Prof João Vares CICLO BRAYTON Para a razão de trabalho reverso temse 𝒃𝒘𝒓 ሶ𝑾𝒄 ሶ𝒎 ሶ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 𝒉𝟐 𝒉𝟏 𝒉𝟑 𝒉𝟒 Razões de trabalho reverso típicas TG 40 a 80 TV 1 a 2 Assim uma parte importante do trabalho produzido pela turbina é utilizada para acionar o compressor Prof João Vares CICLO BRAYTON Adotando arpadrão frio para análise Considerando a variação dos calores específicos constantes Utilizando Δℎ 𝑐𝑝Δ𝑇 ሶ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 𝒄𝒑𝑻𝟑 𝑻𝟒 ሶ 𝑾𝒄 ሶ𝒎 𝒄𝒑𝑻𝟐 𝑻𝟏 ሶ 𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂 ሶ𝒎 𝒄𝒑𝑻𝟑𝑻𝟐 ሶ 𝑸𝒔𝒂𝒊 ሶ𝒎 𝒄𝒑𝑻𝟒 𝑻𝟏 Prof João Vares CICLO BRAYTON Adotando arpadrão frio para análise Considerando a variação dos calores específicos constantes Utilizando Δℎ 𝑐𝑝Δ𝑇 𝜼 ሶ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 ሶ𝑾𝒄 ሶ𝒎 ሶ 𝑸𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂 ሶ𝒎 𝒄𝒑𝑻𝟑𝑻𝟒 𝒄𝒑𝑻𝟐 𝑻𝟏 𝒄𝒑 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝟏 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝒃𝒘𝒓 ሶ𝑾𝒄 ሶ𝒎 ሶ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 𝑻𝟐 𝑻𝟏 𝑻𝟑 𝑻𝟒 Prof João Vares CICLO BRAYTON As irreversibilidades associadas à circulação do ar pelos componentes do ciclo Brayton são desprezadas logo não há perda de calor por atrito e o ar escoa p cte pelos trocadores de calor As perdas por transferência de calor para o ambiente também são desprezadas assim os processos através da turbina e do compressor são isoentrópicos Prof João Vares CICLO BRAYTON Ciclo de arpadrão ideal Brayton ÁreaW ÁreaQ Prof João Vares CICLO BRAYTON Ciclo de arpadrão ideal Brayton Área 23ab2 calor adicionado por unidade de massa Área 14ab1 calor rejeitado por unidade de massa Prof João Vares CICLO BRAYTON Ciclo de arpadrão ideal Brayton Área 12ab1 trabalho fornecido ao compressor por unidade de massa Área 34ba3 trabalho produzido pela turbina por unidade de massa Prof João Vares CICLO BRAYTON Quando são usados dados de tabela de ar para analisar o ciclo Brayton ideal podese utilizar a seguinte relação para os processos isoentrópicos 12 e 34 Já que o ar escoa através dos trocadores de calor do ciclo ideal p cte 𝑝𝑟2 𝑝𝑟1 𝑝2 𝑝1 𝑝𝑟4 𝑝𝑟3 𝑝4 𝑝3 𝑝1 𝑝2 Prof João Vares CICLO BRAYTON Os calores específicos são considerados constantes 𝑇2 𝑇1 𝑝2 𝑝1 𝑘1 𝑘 𝑇4 𝑇3 𝑝4 𝑝3 𝑘1 𝑘 𝑝1 𝑝2 𝑘1 𝑘 𝑘 Τ 𝑐𝑝 𝑐𝑉 𝑟𝑝 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑒 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 𝑝2 𝑝1 𝑝3 𝑝4 Prof João Vares CICLO BRAYTON Considerando arpadrão frio o rendimento pode ser reescrito 𝑘 Τ 𝑐𝑝 𝑐𝑉 𝜼 𝟏 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝟏 𝑻𝟏 𝑻𝟐 Τ 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝟏 Τ 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝟏 𝑻𝟒 𝑻𝟏 𝑻𝟑 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝒌𝟏 𝒌 𝑻𝟐 𝒑𝟏 𝒑𝟐 𝒌𝟏 𝒌 𝑻𝟑 𝑻𝟐 𝜼 𝟏 𝑻𝟏 𝑻𝟐 𝜼 𝟏 𝟏 Τ 𝒑𝟐 𝒑𝟏 𝒌𝟏 𝒌 𝜼 𝟏 𝟏 𝒓𝒑 𝒌𝟏 𝒌 Prof João Vares CICLO BRAYTON Considerando o diagrama Ts do ciclo Brayton ideal observase que um aumento na relação de pressão muda o ciclo de 12341 para 1 2341 Essa mudança promove uma Tmed de adição de calor maior neste último ciclo Terá maior rendimento Prof João Vares CICLO BRAYTON O rendimento do ciclo ideal arpadrão frio Brayton é função da relação de pressão do compressor 𝜼 𝟏 𝟏 𝒓𝒑 𝒌𝟏 𝒌 Onde 𝑟𝑝 Τ 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑚𝑖𝑛 é a razão de pressões e 𝑘 é a razão de calores específicos Prof João Vares CICLO BRAYTON O rendimento do ciclo ideal arpadrão frio Brayton é função da relação de pressão do compressor Prof João Vares CICLO BRAYTON O rendimento do ciclo ideal arpadrão frio Brayton é função da relação de pressão do compressor Prof João Vares CICLO BRAYTON Irreversibilidades e perdas nas turbinas a gás Prof João Vares CICLO BRAYTON Irreversibilidades e perdas nas turbinas a gás À medida que os efeitos das irreversibilidades na turbina e no compressor aumentam o trabalho produzido pela turbina decresce e o trabalho fornecido ao compressor aumenta resultando em diminuição acentuada no trabalho líquido da instalação de potência Prof João Vares CICLO BRAYTON Irreversibilidades e perdas nas turbinas a gás 𝜼𝒕 ሶ Τ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 ሶ Τ 𝑾𝒕 ሶ𝒎𝒔 𝒉𝟑 𝒉𝟒 𝒉𝟑 𝒉𝟒𝒔 𝜼𝒄 Τ ሶ 𝑾𝒄 ሶ𝒎𝒔 ሶ Τ 𝑾𝒄 ሶ𝒎 𝒉𝟐𝒔 𝒉𝟏 𝒉𝟐 𝒉𝟏 Prof João Vares CICLO BRAYTON Irreversibilidades e perdas nas turbinas a gás 𝜼𝒕 ሶ Τ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 ሶ Τ 𝑾𝒕 ሶ𝒎𝒔 𝒉𝟑 𝒉𝟒 𝒉𝟑 𝒉𝟒𝒔 𝜼𝒄 Τ ሶ 𝑾𝒄 ሶ𝒎𝒔 ሶ Τ 𝑾𝒄 ሶ𝒎 𝒉𝟐𝒔 𝒉𝟏 𝒉𝟐 𝒉𝟏 𝜼𝒕 ሶ Τ 𝑾𝒕 ሶ𝒎 ሶ Τ 𝑾𝒕 ሶ𝒎𝒔 𝑻𝟑 𝑻𝟒 𝑻𝟑 𝑻𝟒𝒔 𝜼𝒄 Τ ሶ 𝑾𝒄 ሶ𝒎𝒔 ሶ Τ 𝑾𝒄 ሶ𝒎 𝑻𝟐𝒔 𝑻𝟏 𝑻𝟐 𝑻𝟏 Arpadrão frio Prof João Vares Revisando O ar entra no compressor de um ciclo fechado padrão a ar Brayton 100 kPa e 15C A pressão na descarga do compressor é de 1000 kPa e a Tmáx no ciclo é de 1100C Determine A p e a T em cada ponto do ciclo O Wc no compressor o Wt na turbina e o rendimento η do ciclo Prof João Vares O ar entra no compressor de um ciclo fechado padrão a ar Brayton 100 kPa e 15C A pressão na descarga do compressor é de 1000 kPa e a Tmáx no ciclo é de 1100C Determine A p e a T em cada ponto do ciclo O Wc no compressor o Wt na turbina e o rendimento η do ciclo