Ciclos de Potência a Gás

Transcrição

1 Ciclos de Potência a Gás

2 Máquinas Térmicas e Motores Térmicos Dispositivos que operam segundo um dado ciclo de potência Ciclos de Potência: Ciclos termodinâmicos para conversão de calor em trabalho

3 Ciclo a Gás ou a Vapor Ciclo a gás: O fluido de trabalho permanece na fase gasosa durante todo o ciclo Ciclo a vapor: Há mudança de fase no ciclo (fluido de trabalho é vapor em parte do ciclo e líquido em outra)

4 Ciclo Fechado ou Aberto Ciclo fechado: O fluido de trabalho volta ao estado inicial ao fim o ciclo e recircula. Ciclo aberto: O fluido de trabalho é renovado ao fim do ciclo (ex. motor de automóvel)

5 Máquinas de Conversão de Calor em Trabalho Ciclo gás (Brayton) Ciclo vapor (Rankine) Motores de Combustão Interna

6 Motores Alternativos Otto Diesel

7 Ciclo Otto 4 Tempos 1. Aspiração 2. Compressão 3. Combustão 4. Exaustão

8 Ciclo Otto - Real 1. Aspiração V ad = 1 V ex = 0 2. Compressão V ad = 0 V ex = 0 3. Combustão centelha 4. Exaustão V ad = 0 V ex = 1

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10 PMS Ponto morto superior posição do pistão quando ele forma o menor volume no cilindro PMI Ponto morto inferior volume no cilindro posição do pistão quando ele forma o maior Curso distância entre o PMS e PMI maior distancia que o pistão pode percorrer Espaço morto Volume mínimo formado no cilindro quando o pistão estão no PMS Volume deslocado o volume deslocado quando o pistão se move do PMI para o PMS

11 Ciclo Otto - Teórico Trabalho (área) pequeno desprezar

12 Hipótese do Padrão a Ar 1. O fluido de trabalho é o ar, comportando-se como um gás ideal 2. Todos os processos que formam o ciclos são internamente reversíveis 3. O processo de combustão é substituído por um processo de fornecimento de calor 4. O processo de exaustão é substituído por um processo de rejeição de calor que restaura o fluido de trabalho ao seu estado inicial Hipótese do Padrão a Ar Frio Outra hipótese muito utilizada para simplificar ainda mais a análise é a de que ar tem calores específicos constantes, cujos valores são determinados a temperatura ambiente.

13 Ciclo Otto - Teórico

14 Rendimento onde

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19 Ciclo Otto Motor 4 e 2 tempos

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22 Exemplo 1

23 Ciclo Diesel

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26 Ciclo Diesel

27 Eficiência Térmica Ciclo Diesel Sendo rc razão de corte

28 Para uma mesma razão de compressão r

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30 Ciclo Dual A aproximação do processo de combustão dos motores a combustão interna como um processo de fornecimento de calor a pressão constante ou a volume constante é algo extremamente simplista e pouco realista. Uma abordagem melhor seria modelar o processo de combustão dos motores como uma combinação de dois processos de transferência de calor, um a volume constante e outro a pressão constante. O ciclo ideal baseado nesse conceito é chamado de ciclo dual.

31 Exemplo 2 Um ciclo diesel ideal com o ar como fluido de trabalho tem uma razão de compressão de 18 e uma razão de corte de 2. No início do processo de compressão, o fluido de trabalho está a 14,7 psia, 80⁰F e 117 pol 3. Utilizando as hipóteses do padrão a ar frio, determine: a) a temperatura e a pressão do ar no final de cada processo b) o trabalho líquido produzido e a eficiência térmica

32 Ciclo Brayton Turbina a Gás

33 Ciclo Brayton Hipótese do Padrão a Ar

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36 Ciclo Brayton Padrão a Ar Rendimento Razão de pressão A eficiência térmica do ciclo Brayton ideal depende da razão de pressão da turbina a gás e da razão dos calores específicos do fluido de trabalho. A eficiência térmica aumenta com esses parâmetros.

37 A temperatura mais alta ocorre ao final do processo de combustão (estado 3), e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Isso também limita as razões de pressão que podem ser usadas. Para um valor fixo de temperatura na entrada da turbina, o trabalho líquido aumenta com a razão de pressão, atinge um máximo e depois começa a diminuir.

38 Otimização do Ciclo Brayton

39 Otimização do Ciclo Brayton

40 Otimização do Ciclo Brayton

41 Otimização do Ciclo Brayton

42 Desenvolvimento das Turbinas a Gás As primeiras turbinas a gás tinham baixa eficiência devido as baixas eficiências dos compressores e turbinas além da baixa temperatura de entrada da turbina. Os esforços para melhora as turbinas se concentravam em três áreas. 1. Aumento das temperaturas de entrada da turbina Desenvolvimento de novos materiais e técnicas de resfriamento 2. Aumento das eficiências dos componentes das turbomáquinas Técnicas numéricas avançadas projeto de forma mais adequada a aerodinâmica 3. Acrescentando modificações ao ciclo básico Incorporação do resfriamento intermediário, regeneração e do reaquecimento

43 Exemplo 3 Uma usina a turbina a gás que operam em um ciclo Brayton ideal tem razão de pressão de 8. A temperatura do gás é de 300 K na entrada do compressor e 1300 K na entrada da turbina. Utilizando as hipóteses do padrão a ar, determine: a) A temperatura do gás nas saídas do compressor e turbina b) A razão de consumo de trabalho c) Eficiência térmica

44 Diferenças entre Ciclo de Turbinas a Gás Reais e Idealizados Queda de pressão durante processo de adição de calor Trabalho de compressão real é maior Trabalho realizado pela turbina é menor

45 Exemplo 4 Considerando uma eficiência para o compressor de 80% e uma eficiência para a turbina de 85%, em relação ao exemplo anterior, determine: a) A razão de consumo de trabalho b) A eficiência térmica c) A temperatura na saída da turbina do ciclo de turbina a gás discutido no exemplo anterior

46 Ciclo Brayton com Regeneração

47 Ciclo Brayton com Regeneração

48 Supondo que o regenerador esteja bem isolado e que todas as variações de energia cinética e potencial sejam desprezíveis, as transferências de calor real e máxima dos gases de combustão para o ar podem ser expressas como q regen,real = h 5 h 2 q regen,max = h 5 h 2 = h 4 h 2 Uma indicação do quanto um regenerador se aproxima de um regenerador ideal é chamado de efetividade: = q regen,real q regen,max = h 5 h 2 h 4 h 2 Considerando a hipótese de padrão a ar frio = T 5 T 2 T 4 T 2

49 Um regenerador com maior efetividade economiza maior quantidade de combustível, uma vez que pré-aquece o ar a uma temperatura mais alta antes da combustão Entretanto, a obtenção de uma efetividade mais alta exige o uso de um regenerador maior, que custa mais caro e causa maior queda de pressão. Dentro da hipótese de padrão a ar frio, a eficiência térmica de um ciclo Brayton ideal com regeneração é

50 Exemplo 5 Determine a eficiência térmica da turbina a gás descrita no exemplo anterior se um regenerador com efetividade de 80% for instalado.

51 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração Para minimizar o trabalho do compressor o processo de compressão deve ser executado de forma internamente reversível (minimizando as irreversibilidades como atrito, turbulência e a compressão em não equilíbrio). Uma forma prática de se reduzir o trabalho do compressor é manter o volume específico do gás no menor nível possível durante o processo de compressão. Isso é feito mantendo a mais baixa temperatura possível para o gás durante a compressão. Uma técnica para diminuir o trabalho de compressão é realizar a compressão em múltiplos estágios com resfriamento intermediário, no qual o gás é comprimido em estágios e resfriado entre cada estágio, quando passa no por um trocador de calor chamado resfriador intermediário.

52 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração Da mesma forma que o resfriamento no compressor diminui o trabalho, a expansão em múltiplos estágios com reaquecimento aumenta o trabalho produzido. O trabalho de compressão ou expansão em regime permanente é proporcional ao volume específico do fluido. Portanto, o volume específico do fluido de trabalho deve ser o mais baixo possível durante um processo de compressão e o mais alto possível em um processo de expansão.

53 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração Em geral, a combustão nas turbinas a gás ocorre com quatro vezes a quantidade de ar necessária com a finalidade de efetuar uma combustão completa e evitar temperaturas excessivas. Assim, os gases de exaustão são ricos em oxigênio e o reaquecimento pode ser realizado simplesmente aspergindo combustível adicional nos gases de exaustão entre dois estágios de exaustão. Quando o resfriamento intermediário e o reaquecimento são utilizado, o fluido de trabalho deixa o compressor a uma temperatura mais baixa e a turbina a uma temperatura mais alta. Isso torna a regeneração mais atraente.

54 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração

55 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração O trabalho fornecido ao compressor de dois estágios é minimizado quando razões de pressão iguais são mantidas ao longo de cada estágio. Assim como esse procedimento também maximiza o trabalho realizado pela turbina. Então para obtermos o melhor desempenho:

56 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração A razão de consumo de trabalho de um ciclo de turbina a gás melhora devido ao resfriamento intermediário e ao reaquecimento. Entretanto, o resfriamento e o reaquecimento sempre diminuem a eficiência térmica, ao menos que sejam acompanhados por regeneração. Isso acontece porque o resfriamento intermediário diminui a temperatura média com o qual o calor é fornecido, e o reaquecimento aumenta a temperatura média com a qual o calor é rejeitado.

57 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário, Reaquecimento e Regeneração Se o número de estágios de compressão e expansão aumentar a eficiência térmica se aproxima do limite teórico (eficiência de Carnot). Entretanto, a contribuição de cada estágio adicional para a eficiência térmica é cada vez menor, e a utilização de mais de dois ou três estágios não se justifica economicamente.

58 Exemplo 6 Um ciclo de turbina a gás ideal com dois estágios de compressão e dois estágios de expansão tem uma razão de pressão global igual a 8 1/2. O ar entra em cada estágio do compressor a 300 K e em cada estágio da turbina a 1300 K. Determine a razão de consumo de trabalho e a eficiência térmica desse ciclo de turbina a gás, considerando a) nenhum regenerador b) um regenerador ideal com efetividade de 100%.

59 Ciclo de Propulsão a Jato Ideal O ciclo de propulsão a jato difere do ciclo Brayton, 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 turbina produz trabalho apenas para acionar o compressor e equipamentos auxiliares, como um gerador pequeno e bombas hidráulicas. O trabalho líquido produzido é zero Os gases que deixam a turbina a uma pressão alta são acelerados em um bocal para fornecer empuxo e mover o avião.

60 Ciclo de Propulsão a Jato Ideal As turbinas a gás de aviões operam com alta razões de pressão (entre 10 e 25), e o fluido passa primeiro através de um difusor, no qual é desacelerado e sua pressão aumenta antes dele entrar no compressor. Motor a hélice grande massa de fluido pequena aceleração Motor turbojato forte aceleração de uma pequena massa de fluido Motor turboélice ou turbofan ambos

61 Ciclo de Propulsão a Jato Ideal

62 O empuxo de um turbojato é a força resultante da diferença entre as quantidade de movimento do ar a baixa velocidade que entra no motor e dos gases de exaustão a alta velocidade que deixam o motor. Para um avião na velocidade de cruzeiro constante, o empuxo é usado para superar o arrasto do ar e a força líquida que age sobre o avião é zero.

63 Potencia de Propulsão

64 Eficiência de Propulsão A eficiência de propulsão é a medida da eficiência de conversão da energia térmica liberada durante o processo de combustão em energia de propulsão.

65 Turbofan (fanjet)

66 Turbofan (fanjet)

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68 Turboélice (propjet)

69 Turboélice

70 Os turbofan e turboélice diferem principalmente nas razões de diluição: 5 a 6 para turbofan e até 100 para turboélice Razão de diluição: razão entre a vazão em massa de ar que não escoa pela câmara de combustão e a vazão de ar que escoa através dela. O aumento da razão de diluição aumenta o empuxo. Em geral os motores a hélice são mais eficientes do que os a jato, mas se limita a operações a baixa velocidade e altitude. Turboélice necessita de menor pista para decolagem. O Airbus A320 (turbofan) alcança 900 km/h enquanto o ATR 72 (turboélice) alcança 500 km/h. Aviões turboélice alcança cerca de metros Aviões turbofan alcança cerca de metros

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72 Exemplo 7 Um avião turbojato voa com velocidade de 850 pés/s a uma altitude onde o ar está a 5 psia e -40 ⁰F. O compressor tem uma razão de pressão de 10, e a temperatura de saída dos gases da turbina é 2000 ⁰F. O ar entra no compressor a uma taxa de 100 lbm/s. Utilizando as hipóteses do padrão a ar frio, determine: a) A temperatura e a pressão dos gases na saída da turbina b) A velocidade dos gases na saída do bocal c) A eficiência da propulsão do ciclo