BC1309 Termodinâmica Aplicada

Transcrição

1 Universidade Federal do ABC BC09 ermodinâmica Aplicada Profa. Dr. Jose Rubens Maiorino

2 Ciclo ermodinâmico a Gás Ciclo Padrão Ar - Brayton (urbina a Gás) BC09_ermodinâmica Aplicada

3 Conteudo Ciclo Brayton- Definição; Diagrama -s s para o Ciclo Brayton; Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Brayton; Parâmetros Principais de Operação; Ciclo Brayton com Reaquecimento; Ciclo Brayton Regenerativo; Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário. rio. Ciclo Combinado Ciclo Padrão a ar para propulsão a jato Reatores Nucleares a Alta emperatura Refrigerados a Gas BC09_ermodinâmica Aplicada

4 urbinas a Gás BC09_ermodinâmica Aplicada

5 Motor a Jato BC09_ermodinâmica Aplicada

6 REAORES A GAS BC09_ermodinâmica Aplicada

7 Ciclo Brayton Ideal BC09_ermodinâmica Aplicada

8 Ciclo Brayton Ideal É o ciclo ideal das turbinas a gás (não há mudança de fase). Geralmente opera em um ciclo aberto, ou como um ciclo fechado. Consiste em quatro processos internamente reversíveis: v Compressão isoentrópica em um compressor; v Fornecimento de calor em uma câmara de combustão (P cte); v Expansão isoentrópica em uma turbina; v Rejeição de calor para o ambiente (P cte). BC09_ermodinâmica Aplicada

9 Ciclo Brayton Ideal Q h Câmara de Combustão W Compressor urbina ar fresco Ciclo aberto BC09_ermodinâmica Aplicada

10 Ciclo Brayton Ideal Q h Câmara de Combustão W Compressor urbina Ciclo fechado rocador de Calor Q L BC09_ermodinâmica Aplicada

11 urbina a Gás que operam segundo o ciclo Brayton(a -Aberto, b- Fechado) BC09_ermodinâmica Aplicada

12 Ciclo Brayton Ideal Ar fresco em condições ambiente entra no compressor (estado ), onde a pressão e a temperatura são elevadas (compressão isoentrópica). O ar entra na câmara de combustão (estado ), na qual o combustível é queimado àpressão constante. Em seguida, o ar a alta pressão e temperatura entra na turbina (estado ), onde se expande até a pressão atmosférica, produzindo potência. O ar e calor são rejeitados para o ambiente (estado ) à pressão constante. BC09_ermodinâmica Aplicada

13 Diagrama -s BC09_ermodinâmica Aplicada

14 Ciclo Brayton Ideal Diagrama -s W Q h W Q L s BC09_ermodinâmica Aplicada

15 Balanço o de Massa e de Energia BC09_ermodinâmica Aplicada

16 Ciclo Brayton Ideal Equação de conservação da massa: n i m n m e s i dm dt vc Equação de conservação da energia (ª lei da ermodinâmica): n n V V Q e s vc W vc + m e h e + + gze ms h s gzs i + + i v Hipóteses adotadas: qregime permanente; qvariação nula de energia cinética e potencial; qcomportamento de gás g s ideal; qroca de calor à pressão constante. de dt vc BC09_ermodinâmica Aplicada

17 Ciclo Brayton Ideal Equação de conservação da massa: m e m s 0 Equação de conservação da energia (ª lei da ermodinâmica): Q vc W vc + m eh e m shs 0 ( q q ) + (w w ) h e s e s s h e BC09_ermodinâmica Aplicada

18 Ciclo Brayton Ideal Compressor Compressor W C + m h W C + mc p m m 0 m h 0 ( ) 0 BC09_ermodinâmica Aplicada

19 Ciclo Brayton Ideal Câmara de Combustão Câmara de Combustão Q Q H H + m + mc m m h p m h ( ) BC09_ermodinâmica Aplicada

20 Ciclo Brayton Ideal urbina W W m m + m h + m c 0 p m h 0 ( ) 0 urbina BC09_ermodinâmica Aplicada

21 Ciclo Brayton ldeal Balanços de Massa e Energia Para cada equipamento temos: Compressor: ( ) 0 mc W 0 h m m h W p C C + + m m m 0 m m urbina ( ) 0 m c W 0 h m m h W p + + m m m 0 m m Câmara de Combustão ( ) 0 mc Q 0 m h h m Q p H H + + m m m 0 m m BC09_ermodinâmica Aplicada

22 Ciclo Brayton Ideal Assim, épossível definir a eficiência termica de um ciclo Brayton ideal: η termico W Q H Q Q L H c c p p ( ( ) ) BC09_ermodinâmica Aplicada

23 Ciclo Brayton Ideal Ciclo Ciclo Brayton Brayton Ideal Ideal BC09_ermodinâmica Aplicada H h h m Q ( ) ( ) p p H L c c h h h h Q Q η L h h m Q ( ) ( ) η Considerando que por unidade de massa: A eficiência térmica do ciclo Brayton pode ser definida por:

24 Ciclo Brayton Ideal Ciclo Ciclo Brayton Brayton Ideal Ideal BC09_ermodinâmica Aplicada p p p p e que: k k p p e: k k p p Logo: Considerando que:

25 Ciclo Brayton Ideal Ciclo Ciclo Brayton Brayton Ideal Ideal BC09_ermodinâmica Aplicada η η ( ) k k C R η Onde: Razão de pressão no compressor C p p R q Eficiência térmica do ciclo Brayton pode ser definida por:

26 Como aumentar a eficiência do Ciclo Brayton? BC09_ermodinâmica Aplicada

27 Parâmetros de Operação BC09_ermodinâmica Aplicada

28 Aumento da Razão de Pressão Aumento da razão de pressão do compressor: s BC09_ermodinâmica Aplicada

29 Aumento da emperatura Aumento da temperatura da saída da câmara de combustão: s BC09_ermodinâmica Aplicada

30 Ciclo Brayton Regenerativo BC09_ermodinâmica Aplicada

31 Ciclo Brayton Regenerativo y Regenerador x Q h Eficiência do Regenerador ε h h x h h Câmara de Combustão W Compressor urbina BC09_ermodinâmica Aplicada

32 Ciclo Regenerativo BC09_ermodinâmica Aplicada

33 Eficiência do Ciclo Regenerativo BC09_ermodinâmica Aplicada k k p k k k k t c t H p H p t H c t r P P P P w w w q c q c w q w w / / / ] ) / ( [ ] ) / [(, / / mas, )] / ( [ ] ) / [( : Para umregenerador ideal ] [ ]; [, η η η

34 Ciclo Brayton com Reaquecimento BC09_ermodinâmica Aplicada

35 Ciclo Brayton com Reaquecimento x Q h Câmara de Combustão Q h Câmara de Combustão 5 Compressor urbina urbina 6 BC09_ermodinâmica Aplicada

36 Ciclo Brayton com Resfriamento Intermediário rio BC09_Jermodinâmica Aplicada

37 Ciclo Brayton com Resfriamento Resfriamento Intermediário rio Q h Câmara de Combustão 5 W Compressor Compressor urbina 6 BC09_ermodinâmica Aplicada

38 Ciclo Brayton Real BC09_ermodinâmica Aplicada

39 Ciclo Brayton Real Queda de pressão durante o fornecimento de calor Irreversibilidade gerada no compressor Irreversibilidade gerada na turbina Queda de pressão durante a rejeição de calor s BC09_ermodinâmica Aplicada

40 Ciclo Padrão a ar para propulsão a jato BC09_ermodinâmica Aplicada

41 Reatores Nucleares a Alta emperatura Refrigerados a Gas Os reatores HGR utilizam hélio como gás refrigerante, são moderados com grafite e o combustível éem forma de partículas de dióxido de urânio ou carbeto de urânio revestidas com três camadas sucessivas: a primeira de carbono pirolitico, a segunda de SiC e a terceira novamente de carbono pirolítico. Estes revestimentos garantem a contenção dos produtos de fissão e a estabilidade das partículas de combustível até000 C. Estas partículas de combustível, originariamentedesenvolvidasna Alemanha, são chamadas de RISO (RI ISOtropic). BC09_ermodinâmica Aplicada

42 ipos de Reatores de Alta emperatura Refrigerados a Gas BC09_ermodinâmica Aplicada

43 Eficiência dos HR BC09_ermodinâmica Aplicada

44 Ciclo Combinado Brayton-Rankine BC09_ermodinâmica Aplicada

45 Eficiência do Ciclo Combinado BC09_ermodinâmica Aplicada

46 Exercícios cios BC09_ermodinâmica Aplicada

47 Exercícios cios ) Ar entra no compressor de um ciclo Brayton ideal, a 00 kpa e 5 C. A pressão na seção de descarga do compressor éde Mpa e a temperatura máxima no ciclo é00ºc. Determine: a) a pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo; b) o trabalho no compressor, na turbina e o rendimento do ciclo. Resp. a) Pressões: 00 kpa; 000 kpa; 000 kpa; 00 kpa; emperaturas: 88 K; 556, K; 7 K; 70,6 K; b) -69, kj/kg; 66,7 kj/kg; 8,% ) Considere uma turbina a gás em que o ar entra no compressor nas mesmas condições do exemplo anterior. Admita que as eficiências do compressor e da turbina são, respectivamente, iguais a 80% e 85%. Sabendo que a perda de carga no escoamento de ar entre o compressor e a turbina é de 5 kpa, determine o trabalho no compressor, na turbina e o rendimento do ciclo. Resp: - 9,6 kj/kg; 565,0 kj/kg; 7,58% ) Considere que um regenerador ideal foi incorporado ao ciclo descrito no exemplo. Determine o rendimento térmico do ciclo modificado. (Resp: 59,8%) BC09_ermodinâmica Aplicada