MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS AULA 9-11 SISTEMAS DE POTÊNCIA A GÁS

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1 MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS AULA 9-11 SISTEMAS DE POTÊNCIA A GÁS PROF.: KAIO DUTRA

2 Instalação de Potência com Turbinas a Gás As turbinas a gás tendem a ser mais leves e mais compactas que as instalações de potência a vapor. A relação favorável de potência de saída/peso nas turbinas a gás as torna adequa das para aplicações em transportes. As turbinas a gás são também comumente usadas para geração de potência estacionária.

3 Modelando Instalações de Potência Com Turbinas a Gás As instalações de potência com turbinas a gás podem operar tanto de um modo aberto como fechado.

4 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Uma idealização frequentemente utilizada no estudo de instalações de potência com turbinas a gás é a de uma análise de ar-padrão. Na análise de ar-padrão duas hipóteses são sempre formuladas: O fluido de trabalho é o ar, o qual se comporta como um gás ideal O aumento de temperatura que resultaria da combustão é realizado através de uma transferência de calor de uma fonte externa.

5 Ciclo de Ar-Padrão Brayton De acordo com as hipóteses de uma análise de ar-padrão, o aumento de temperatura que seria obtido no processo de combustão é realizado através de uma transferência de calor de uma fonte externa para o fluido de trabalho e este é considerado ar comportando-se como um gás ideal.

6 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Uma representação simplificada dos estados percorridos pelo ar, em um ciclo como este, pode ser imaginada considerando-se o ar de saída da turbina como retornando ao estado na entrada do compressor por intermédio de sua passagem através de um trocador de calor, onde ocorre rejeição de calor para as vizinhanças. O ciclo resultante desta idealização complementar é chamado de ciclo de ar-padrão Brayton.

7 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Supondo-se que a turbina opera adiabaticamente e com efeitos desprezíveis de energia cinética e potencial, o trabalho produzido por unidade de massa é:

8 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Com as mesmas hipóteses, o trabalho do compressor por unidade de massa é: O calor adicionado ao ciclo por unidade de massa é: O calor rejeitado por unidade de massa é:

9 Ciclo de Ar-Padrão Brayton A eficiência térmica do ciclo: A razão de trabalho reverso para o ciclo é:

10 Ciclo de Ar-Padrão Brayton No ciclo Brayton uma parte relativamente grande do trabalho produzido pela turbina é requerida para acionar o compressor. Razões de trabalho reverso típicas para turbinas a gás variam de 40 a 80%. Em comparação, as razões de trabalho reverso para instalações de potência a vapor são normalmente 1 ou 2% apenas.

11 Ciclo de Ar-Padrão Brayton watch?v=zcwkeknvqca watch?v=uy-iqypo_a8

12 Ciclo de Ar-Padrão Brayton As áreas nos diagramas T-s e p-v podem ser interpretadas como calor e trabalho, respectivamente, por unidade de massa escoando. No diagrama T-s, a área 2-3-a-b-2 representa o calor adicionado por unidade de massa, e a área T-4-a-b-1 é o calor rejeitado por unidade de massa.

13 Ciclo de Ar-Padrão Brayton No diagrama p-v, a área 1-2-a-b-1 representa o trabalho fornecido ao compressor por unidade de massa, e a área 3-4-b-a-3 é o trabalho produzido pela turbina por unidade de massa. A área de cada figura pode ser interpretada como o trabalho líquido produzido ou, equivalentemente, o calor líquido absorvido.

14 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Quando os dados de tabelas de ar são usados para conduzir uma análise envolvendo o ciclo Brayton ideal, as seguintes relações aplicam-se aos processos isentrópicos:

15 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Quando o ciclo Brayton ideal é analisado em uma base de ar-padrão frio, os calores específicos são considerados constantes. Desta forma, as seguintes expressões podem ser utilizadas:

16 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Efeito da Relação de Compressão sobre o Desempenho: Algumas conclusões podem ser corretas para turbinas a gás reais podem ser tiradas do ciclo Brayton ideal. A primeira delas é que a eficiência térmica aumenta com o aumento da relação de compressão.

17 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Efeito da Relação de Compressão sobre o Desempenho: Algumas conclusões podem ser corretas para turbinas a gás reais podem ser tiradas do ciclo Brayton ideal. A primeira delas é que a eficiência térmica aumenta com o aumento da relação de compressão.

18 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Os diagramas T-s de dois ciclos Brayton ideais possuindo a mesma temperatura de entrada na turbina, mas razões de compressão diferentes estão mostrados na figura ao lado. Deve-se considerar que existe um limite metalúrgico para a temperatura de admissão na turbina (cerca de 1700K).

19 Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás Por causa dos efeitos de atrito dentro do compressor e da turbina, o fluido de trabalho sofreria aumentos de entropia específica nestes componentes. Devido ao atrito, haveria também perdas de carga conforme o fluido passasse através dos trocadores de calor. Porém, pelo fato de as perdas de carga por atrito serem fontes menos significativas de irreversibilidades, nós as ignoraremos nas discussões subsequentes e, por simplicidade, mostraremos o escoamento através dos trocadores de calor como ocorre à pressão constante.

20 Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás A medida que os efeitos das irreversibilidades na turbina e compressor ficam mais pronunciados, o trabalho produzido pela turbina decresce e o trabalho fornecido ao compressor aumenta resultando em um decréscimo acentuado no trabalho líquido da instalação de potência.

21 Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás Após décadas de esforço de desenvolvimento, eficiências de 80 a 90% podem agora ser obtidas nas turbinas e compressores em instalações de potência com turbinas a gás. As eficiências isentrópicas da turbina e do compressão são dadas por:

22 Ciclo de Ar-Padrão Brayton Exemplo 9.4 Ar é o fluido de de trabalho em um ciclo Brayton com uma vazão volumétrica de 5m³/s. Para uma relação de compressão de 10, determine: A eficiência do ciclo; A razão de trabalho reverso; Potência líquida produzida.

23 Irreversibilidades e Perdas nas Turbinas a Gás Exemplo 9.6 Considerando o exemplo 9.4, admita que a eficiência isentrópica da turbina e do compressor é de 80%. Determine: A eficiência do ciclo; A razão de trabalho reverso; Potência líquida produzida.

24 Turbina a Gás Regenerativas A temperatura de saída de uma turbina a gás é normalmente bem acima da temperatura ambiente. Consequentemente, o gás quente de escape da turbina possui um potencial para uso (exergia) que seria irremediavelmente perdido se o gás fosse descarregado diretamente para as vizinhanças. Uma maneira de utilizar este potencial é por intermédio de um trocador de calor chamado de regenerador, o qual permite que o ar que deixa o compressor seja preaquecido antes de entrar no combustor, reduzindo, desta forma, a quantidade de combustível que deve ser queimada no combustor.

25 Turbina a Gás Regenerativas Com a inclusão do Regenerador o calor que entra passa a ser: O trabalho líquido produzido por unidade de vazão em massa não é alterado pela inclusão de um regenerador. Logo, já que o calor adicionado é reduzido, a eficiência aumenta.

26 Turbina a Gás Regenerativas A efetividade do regenerador é definida como a razão entre o aumento real de entalpia do ar escoando através do lado do compressor do regenerador e o aumento máximo teórico de entalpia. A decisão de adicionar um regenerador é prioritariamente econômica.

27 Turbina a Gás Com Reaquecimento Por razões metalúrgicas, a temperatura dos produtos de combustão gasosos que entram na turbina deve ser limitada. Esta temperatura pode ser controlada fornecendo-se ar em quantidades acima da necessária para a do combustível no combustor. Como consequência, os gases que deixam o combustor contêm ar suficiente para suportar a combustão de combustível adicional.

28 Turbina a Gás Com Reaquecimento Algumas instalações de potência a gás tiram vantagem do excesso de ar por intermédio de uma turbina de múltiplos estágios com um combustor com reaquecimento entre os estágios. Com este arranjo, o trabalho líquido por unidade de massa escoando pode ser aumentado.

29 Turbina a Gás Com Reaquecimento O trabalho liquido do ciclo com reaquecimento é maior do que aquele do ciclo sem reaquecimento. Apesar do aumento do trabalho líquido com o reaquecimento, a eficiência térmica do ciclo não necessariamente aumentaria porque seria exigida uma maior adição de calor total.

30 Turbina a Gás Com Reaquecimento Porém, a temperatura na saída da turbina é maior com reaquecimento do que sem este, portanto o potencial para regeneração é aumentado. Quando se utiliza reaquecimento e regeneração conjuntamente, a eficiência térmica pode aumentar de modo significativo.

31 Compressor Com Inter- Resfriamento O trabalho líquido produzido por uma turbina a gás também pode ser aumentado reduzindo-se o trabalho fornecido ao compressor. Isto pode ser obtido através de compressão em múltiplos estágios com interresfriamento.

32 Compressor Com Inter- Resfriamento O trabalho de compressão adiabático é maior que o isentrópico, isto pode ser evidenciado no gráfico ao lado. Embora resfriar um gás à medida que ele é comprimido reduza o trabalho, uma taxa de transferência de calor grande o suficiente para efetuar uma redução significativa de trabalho é difícil de ser obtida na prática.

33 Compressor Com Inter- Resfriamento Uma alternativa prática é separar as interações de calor e trabalho em processos distintos, permitindo que a compressão ocorra em estágios com trocadores de calor, chamados inter-resfriadores que resfriam o gás entre os estágios. Porém, a compressão com inter-resfriamento, por si só, não aumentaria necessariamente a eficiência térmica de uma turbina a gás porque a temperatura de admissão do ar no combustor seria reduzida, o que exigiria mais energia de entrada no aquecedor.

34 Reaquecimento e Inter-Resfriamento

35 Reaquecimento e Inter-Resfriamento Exemplo 9.11 Uma turbina a gás regenerativa com inter-resfriamento e reaquecimento opera em regime permanente. O ar possui uma vazão de 5,807Kg/s. A relação de compressão do compressor de dois estágios é de 10. A relação de expansão da turbina de dois estágio também é de 10. A eficiência isentrópica do compressor e da turbina é de 0,8. O ar resfriado volta ao segundo estágio do compressor com 300K. A efetividade do regenerador é de 0,8. Determine: A eficiência térmica do ciclo; A razão de trabalho reverso; A potência líquida produzida, em KW.

36 Ciclo de Propulsão a Jato Ideais O ciclo de propulsão a jato ideal difere do ciclo Brayton simples ideal, uma vez que os gases não se expandem até a pressão ambiente no interior da turbina. Em vez disso, eles se expandem até uma pressão na qual a potência produzida pela turbina é suficiente apenas para acionar o compressor e equipamentos auxiliares, como um gerador pequeno e bombas hidráulicas.

37 Ciclo de Propulsão a Jato Ideais Aviões são acionados pela aceleração de um fluido na direção oposta ao movimento. No caso ideal, o trabalho da turbina é considerado igual ao trabalho do compressor. O empuxo desenvolvido por um motor turbojato é a força resultante da diferença entre as quantidades de movimento do ar à baixa velocidade que entra no motor e os gases de exaustão que deixam o motor a uma alta velocidade, e é determinado pela segunda lei de Newton.

38 Ciclo de Propulsão a Jato Ideais Para um avião em velocidade de cruzeiro constante o empuxo é usado para superar o arrasto do ar, e a força líquida que age sobre o corpo do avião é zero. Os aviões comerciais economizam combustível voando a altitudes maiores durante as viagens mais longas, una vez que o ar a altitudes maiores é mais rarefeito e exerce uma força de arrasto menor sobre o avião.

39 Ciclo de Propulsão a Jato Ideais A potência decorrente do empuxo do avião é chamada de potência de propulsão WP, que é a força de propulsão (empuxo) vezes a distância ao longo da qual essa força age sobre o avião por unidade de tempo, ou seja o empuxo vezes a velocidade do avião.

40 Ciclo de Propulsão a Jato Ideais O resultado desejado de um turbojato é a potência produzida para deslocar o avião WP, e a entrada necessária é o poder calorífico do combustível. A razão entre essas duas grandezas é chamada de eficiência de propulsão e é dada por:

41 Modificações Em Motores Turbojatos O motor mais utilizado na propulsão de aviões é o turbofan (ou fanjet) no qual um grande ventilador movido pela turbina força uma quantidade considerável de ar através de um duto que envolve o motor. Os gases descarregados pelo ventilador deixam o duto a uma velocidade mais alta, aumentando significativamente o empuxo total do motor.

42 Modificações Em Motores Turbojatos O motor turbofan de um avião ode ser distinguindo de um turbojato menos eficiente pela grande carenagem que cobre o grande ventilador. Todo o empuxo de Compressor de baixa pressão um turbojato é gerado pelos gases de exaustão que deixam o motor com cerca de duas vezes a velocidade do som.

43 Modificações Em Motores Turbojatos A razão entre a vazão em massa de ar que não escoa pela câmara de combustão e a vazão de ar que escoa através dela é chamada de razão de diluição. O aumento da razão de diluição de um motor turbofan aumenta o empuxo. Assim, faz sentido remover a carenagem do ventilador, e o resultado é um motor propjet.

44 Modificações Em Motores Turbojatos Os motores turbofan e o propjet diferem principalmente nas razões de diluição: 5 ou 6 para os turbofans e até 100 para os propjets. Como regra geral, os motores a hélice são mais eficientes do que aqueles a jato, mas se limitam à operação em baixa velocidade e altitude, uma vez que sua eficiência diminui em velocidades e altitudes maiores.

45 Modificações Em Motores Turbojatos Outra modificação conhecida na aviação militar é a adição de uma câmara de combustão entre a turbina e o bocal. Como resultado dessa energia extra, os gases de exaustão saem com velocidade mais alta, oferecendo maior empuxo. Um motor ramjet é um duto com formato adequado sem nenhum compressor ou turbina. Ele é usado para a propulsão a alta velocidade em aeronaves.

46 Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor Um ciclo de potência combinado acopla dois ciclos de potência de tal forma que a energia descarregada através de calor de um dos ciclos é usada parcial ou completamente como a energia fornecida ao outro ciclo.

47 Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor Um ciclo de potência combinado acopla dois ciclos de potência de tal forma que a energia descarregada através de calor de um dos ciclos é usada parcial ou completamente como a energia fornecida ao outro ciclo.

48 Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

49 Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor

50 Ciclo de Potência Combinado de Turbina a gás e a vapor A relação para a energia transferida do ciclo de gás ao ciclo de vapor para o sistema mostrado ao lado é obtida pela aplicação dos balanços de massa e energia a um volume de controle englobando o trocador de calor. Para operação em regime permanente, transferência de calor de ou para as vizinhanças desprezível e nenhuma variação significativa nas energias cinética e potencial, o resultado é:

51 Ciclo de Potência Combinado Exemplo 9.13 Para o ciclo ao lado, sabe-se que a potência líquida produzida é de 45MW. Determine: As vazões mássicas do ar e do vapor d água, ambas em Kg/s, e a potência líquida produzida pelos ciclos de potência a gás e a vapor, ambos em MW.