Trabalho Final de Termodinâmica

TERMODINÂMICA FOZ2320 UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ Curso de Engenharia Mecânica Prof William A Carrillo Ibañez TRABALHO FINAL CICLO COMBINADO BRAYTONRANKINE Entrega 24032025 Nome Problema 1 30 Uma usina opera em um ciclo combinado conforme mostrado na Figura abaixo A temperatura de entrada em que uma turbina a gás pode suportar é significativamente mais alta do que a de uma turbina a vapor Portanto o ciclo de Brayton pode operar em temperaturas mais elevadas No entanto isso resulta em gases de exaustão extremamente quentes saindo da turbina a gás Em vez de desperdiçar esse gás em alta temperatura ele é direcionado primeiramente para uma caldeira a fim de transferir calor para um ciclo de Rankine que possui maior eficiência do que o ciclo de Brayton mas deve operar em temperaturas mais baixas Por fim o gás de baixa temperatura que sai da caldeira é utilizado para produzir vapor destinado a aplicações de aquecimento Esse ciclo é um exemplo de sistema de cogeração CHP Combined Heating and Power Modele o ciclo de Brayton assumindo que o fluido de trabalho é ar ou seja utilize Air como substância na livraria de fluidos no EES A vazão mássica de ar é mₐ 73 kgs O ar entra no compressor no estado 1 à Pₐₜₘ 1 atm e Tₐₘₚ 20 C O compressor possui uma razão de compressão PR 75 e uma eficiência ηc 085 O ar entra na câmara de combustão e é aquecido até uma temperatura Tₕ 1250 C A turbina de gás possui uma eficiência ηₜ1 087 O ar que sai da turbina entra na caldeira no estado 4 onde transfere calor para a água no ciclo de Rankine A razão entre a vazão mássica de água no ciclo de Rankine e a de ar no ciclo de Brayton é ṁwṁa 01 A caldeira possui uma diferença de temperatura de aproximação de ΔTb 15 K portanto a água que sai da caldeira atinge a temperatura T₉ T₄ ΔTb Observe T₅ que não é igual a T₈ O ar entra no gerador de vapor no estado 5 O ar é utilizado para aquecer a água do estado de entrada com P₁₁ Ps 5 atm T₁₁ Twin 20 C até o vapor saturado em P₁₂ P₁₁ A temperatura do ar que sai do gerador de vapor é T₆ Tₐout 180 C No ciclo de Rankine a água entra na bomba no estado 7 como líquido saturado A eficiência da bomba é ηp 065 e a pressão de saída da bomba é Pboiler 8 MPa A água entra no trocador de calor no estado 8 onde é convertida em vapor pelo calor transferido do ar no estado 4 A água entra na turbina a vapor no estado 9 A turbina a vapor tem uma eficiência de ηₜ2 084 084 A água entra no condensador no estado 10 O condensador transfere calor da água para a água de resfriamento a Tamb 20 C A temperatura de aproximação do condensador é ΔTc 5 K portanto a água sai do condensador a Tc ΔTc Despreze a queda de pressão em todos os trocadores de calor Sugestão Analise primeiro o compressor a câmara de combustão e a turbina 1 Em seguida analise a bomba e a caldeira Por fim analise o gerador de vapor 1 Determine todos os pontos de estado para ambos os ciclos Apresente estes valores em uma tabela com no mínimo a pressão temperatura entropia e entalpia dos estados 1 a 11 2 Determine a vazão mássica de vapor produzida no gerador de vapor dos estados 11 e 12 3 Verifique sua solução realizando um balanço global de energia em todo o ciclo Dica Calcule todas as formas de energia que entram e saim no ciclo e verifique se esta diferença é igual a zero quando considerase um processo em regime permanente 4 Determine a eficiência do ciclo de Brayton a eficiência do ciclo de Rankine e a eficiência do ciclo combinado relativa à produção de energia não inclua o valor do vapor produzido pelo gerador de vapor 5 Qual é a potência líquida Wliq produzida pelo ciclo 6 Se o gás natural for utilizado para energizar o ciclo e o custo do gás natural for GΝc 001kJ então determine o custo anual de combustível necessário para operar a planta 7 Determine o custo associada à produção da mesma quantidade de energia usando uma planta convencional a gás natural com eficiência ηconv 034 e a mesma quantidade de vapor usando uma caldeira a gás natural Qual é a economia por ano associada ao uso do ciclo combinado Dica Considere as seguintes expressões para determinar os itens 6 e 7 EconomiaCustoconv Custo onde Custoconv Qconv GNc Custo QH GNc QH QH tempo Qconv Wliqηconv Qsgtempo Considere Qsg a energia transferida no gerador de vapor obtida do item 2 Boa sorte 1 QN combustor 2 3 11 6 steam generator 12 1 compressor 5 boiler 8 9 pump 7 condenser 10 turbine 1 Wc Wt1 turbine 2 Wt2 Figura 1 Ciclo combinado de uma planta térmica