MÁQUINAS TÉRMICAS AT-101

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS TÉRMICAS AT-101 Dr. Alan Sulato de Andrade 1

2 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. HISTÓRICO: 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 Davinci, que por volta de 1500 (D.C.) 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. 2

3 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. 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 desenvolvem as primeiras turbinas para propulsão de aviões. 3

4 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. Turbina a Gás 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. 4

5 CARACTERÍSTICAS: 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. PARTES COMPONENTES: As principais partes componentes da turbina a gás são: Compressor, Câmara de combustão, Turbina, 5

6 PARTES COMPONENTES: As principais partes componentes da turbina a gás são: AR PARTES COMPONENTES: Outras partes são: Linha de admissão de ar e combustível, Carcaça, Pás, Difusor e linha de exaustão. 6

7 PARTES COMPONENTES: Esquematicamente: Principais partes componentes de uma turbina a gás PARTES COMPONENTES: Esquematicamente: 7

8 FUNCIONAMENTO: As TG s funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e conseqüentemente 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. FUNCIONAMENTO: 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. 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. 8

9 FUNCIONAMENTO: 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 300 C e 450 C. 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 1250 C. Após passar pela turbina, os gases são liberados ainda com significante disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 celsius. 9

10 FUNCIONAMENTO: 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 freqüentemente superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente 35%. 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 1:15. 10

11 FUNCIONAMENTO: A passagem dos gases quentes gera forças, que aplicadas às pás da turbina, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor. Gases quentes Rotor Passagem dos gases quentes pela turbina FUNCIONAMENTO: Gases Entrada Trabalho Turbina a Gás Variação de entalpia Variação de energia cinética Variação de energia potencial Gases Saída 11

12 UTILIZAÇÃO: São usadas principalmente para o acionamento de geradores elétricos e propulsão aérea e marítima. Principais utilizações das turbinas a gás CLASSIFICAÇÃO: A classificação das turbinas a gás é normalmente feita segundo: Condições de emprego (estacionária ou de propulsão) Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado) Outros (Arranjo, tipo de combustível, velocidade de rotação, pressão). 12

13 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 (Heavy-duty), 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 micro-turbinas (dedicadas à geração descentralizada de energia elétrica). CONDIÇÕES DE EMPREGO: ~ Gerador elétrico Empuxo 13

14 CONDIÇÕES DE EMPREGO: CONDIÇÕES DE EMPREGO: = 30% 14

15 CONDIÇÕES DE EMPREGO: = 40% CONDIÇÕES DE EMPREGO: = 60% 15

16 CONDIÇÕES DE EMPREGO: Geralmente dimensiona-se 2 TG para 1TV todas com a mesma potencia EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS: 16

17 CONDIÇÕES DE EMPREGO: CONDIÇÕES DE EMPREGO: 17

18 CICLO TERMODINÂMICO: O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gás comumente empregadas na produção de energia elétrica e na propulsão de embarcações, locomotivas e aviões. CICLO TERMODINÂMICO: Brayton w 34 w 12 w 34 w 12 18

19 EQUAÇÕES: As equações à seguir podem ser obtidas à partir do balanço de massa e energia do volume de controle. Para efeito de simplificação, podemos desconsiderar a variação de energia cinética e potencial do sistema. CICLO TERMODINÂMICO: Brayton Onde: Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/kg ou kj/kg W Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kj/kg C Calor específico em J/kg.K ou kjl/kg.k h Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kj/kg T Temperatura em K (kelvin) Eficiência (%) 19

20 CICLO BRAYTON: CICLOS: Típico ciclo de Brayton 20

21 CICLOS: Ciclo regenerativo CICLOS: Ciclo com câmara de reaquecimento 21

22 CICLOS: Ciclo com inter-resfriamento CICLOS: Ciclo com inter-resfriamento e câmara de reaquecimento 22

23 CICLOS: Regeneração e múltiplos ciclos de inter-resfriamento e câmaras de reaquecimento CICLO BRAYTON (Real): Num ciclo Brayton real, a compressão exercida pelo compressor e a expansão na turbina não são isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos não são reversíveis, e a entropia se modifica durante os processos (tende a aumentar devido a SLT). Outro fator se trata do atrito do fluido que resulta em perda de pressão na câmara de combustão, nos trocadores de calor e na entrada e saída dos tubos de exaustão. 23

24 CICLO BRAYTON REAL: Ocorre uma derivação do ciclo real Eficiência de um ciclo real é menor do que a eficiência de um ciclo teórico. CICLO DE PROPULSÃO-JATO: 24

25 CICLO DE PROPULSÃO-JATO: EXERCÍCIO 1: Considere o ciclo que descreve um processo industrial de geração de energia elétrica, onde uma turbina a gás utiliza como combustível gás natural. Calcule o rendimento térmico do processo. 25

26 EXERCÍCIO 1: C=0,3232 kj/kg.k T2= 50ºC T3= 1000ºC C=0,3023 kj/kg.k C=0,3189 kj/kg.k T1= 20ºC T4= 600ºC EXERCÍCIO 1: Calcule: Trabalho consumido pelo compressor. Calor inserido no sistema pelo queimador. Trabalho efetuado pela turbina. Eficiência térmica do processo. 26

27 EXERCÍCIO 1: Trabalho consumido pelo compressor (1-2) W 12 =-C.(T2-T1) Trabalho efetuado pela turbina (3-4) W 34 =C.(T3-T4) EXERCÍCIO 1: Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3) Q 23 =C(T3-T2) Eficiência térmica do processo ={[Wlíquido]/Qentra} *

28 EXERCÍCIO 2: Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em consideração as seguintes informações:. m=45 kg/s Ve=8,3 m/s Vs=145 m/s EXERCÍCIO 2: Empuxo T=m(Vs-Ve) 28

29 EXERCÍCIO 3: Calcular a eficiência térmica do sistema e a razão Wc/Wt. C=0,3283 kj/kg.k T2= 160ºC T3= 800ºC C=0,3023 kj/kg.k T1= 26ºC C=0,3198 kj/kg.k T4= 650ºC EXERCÍCIO 3: ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100 Razão Wc/Wt = Wc/Wt 29

30 EXERCÍCIO 4: Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina. C=0,3331 kj/kg.k C=0,3123 kj/kg.k T2= 120ºC T3= 650ºC Fluxo = 3000 kg/h C=0,3232 kj/kg ºC T1= 20ºC T4= 400ºC EXERCÍCIO 3: ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100 Razão Wc/Wt = Wc/Wt Potência = Wt * Fluxo 30

31 W (trabalho) EXERCÍCIO 5: Calcular a eficiência térmica do sistema (Regenerativo), razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina. T1= 22ºC T2= 90ºC 2 C=0,3023 Saída de gases C=0,3083 Compressor 1 Entrada de ar Trocador de Calor Combustível 2 T2 = 280ºC Eixo C=0,3213 Câmara de combustão Fluxo = 2200 kg/h 3 T3= 720ºC Turbina 4 * C em kj/kg.k T4= 470ºC C=0,3183 EXERCÍCIO 5: ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2 )} * 100 Razão Wc/Wt = Wc/Wt Potência = Wt * Fluxo 31

32 EXERCÍCIO 6: Calcular a eficiência térmica do sistema e o consumo de combustível. h3=1737,0 KJ/kg h2=189,0 KJ/kg Fluxo = kg/h PC gás = kcal/kg gás = 1,3 kg/m³ h1=119,1 KJ/kg h4=1575,0 KJl/kg EXERCÍCIO 6: ={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100 Consumo de Combustível = (CC) CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC CC m³= kg/h / 1,3 kg/m³ 32

33 W (trabalho) EXERCÍCIO 7: Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina. * C em KJ/kg ºC C=0,3023 T2= 97ºC 2 C=0,3232 Combustível Câmara de combustão Compressor Turbina 1 Eixo T3= 890ºC 3 C=0,3213 Câmara de Reaquecimento 4 T4= 670ºC C=0,3153 T5= 820ºC 5 Turbina 2 T1= 23ºC 1 Entrada de ar C=0,3123 C=0, T6= 640ºC Saída de gases EXERCÍCIO 7: ={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr) 33

34 EXERCÍCIO 8: Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em consideração as seguintes informações: m1=70 kg/s m2=85 kg/s V1=8,4 m/s V2=147 m/s V3=182 m/s Pós-Combustão EXERCÍCIO 8: Empuxo T=m1(V2-V1)+m2(V3-V2) 34