Projeto e Simulação de Sistemas Térmicos 2017/2

Transcrição

1 Projeto e Simulação de Sistemas Térmicos 2017/2 Lista 2 Resolva os seguintes exercícios: 1. Calcule o desempenho (eficiência e back work ratio) de um ciclo simples de turbina a gás, operando nas seguintes condições: Tamb = 20 C; Patm = 101,325 kpa; relação ar-combustível (Af) igual a 45; relação de pressão (Pr) igual a 5; poder calorífico do combustível igual a 50 MJ/kg. As eficiências dos componentes são: turbina gaseificadora igual a 88%; turbina de potência igual a 82% e do compressor igual a 85%. 2. Considerando o mesmo exercício anterior, plote as curvas de eficiencia do ciclo em relação à relação de pressão, Pr para temperaturas de entrada na turbina variando de 900 a 1400 C, em intervalos de 100 C. Utilize uma faixa de relações de pressão entre 2 a Considere o uso de um ciclo de turbina a gás para realizar a propulsão de um navio militar onde cada missão deve durar, aproximadamente 10 dias. A potência necessária da turbina de potência é de 320 hp. O ciclo opera a Tamb = 25 C e Patm = 101,325 kpa. A relação de pressão do compressor é igual a 3,5 e sua eficiência igual a 82%. O ciclo utiliza um recuperador de calor e um processo de reaquecimento na saída da turbina gaseificadora. A diferença de temperatura de aproximação no recuperador é igual a 50 K. A relação ar-combustível dos dois aquecedores deve ser ajustada para que a temperatura na entrada de cada turbina fique em 1020 C. A eficiência da turbina gaseificadora é de 85% enquanto a da turbina de potência é igual a 81%. Os aquecedores utilizam um combustível com poder calorífico igual a 48 MJ/kg. Determine a eficiência do ciclo, a taxa de massa de combustível e a massa total de combustível que deve ser embarcada no navio para garantir sua autonomia. 4. Um ciclo combinado é mostrado na figura a seguir. Nesse ciclo, os gases de exaustão do ciclo de potência (Brayton) são aproveitados, em um recuperador de calor, para produzir vapor, operando um ciclo de Rankine para produção de potência. Além disso, os gases a baixa temperatura que saem do recuperador são aproveitados para produzir vapor, que será utilizado como calor de processo, caracterizando então um sistema combinado de calor e potência (CHP). No ciclo de Brayton, ar é o fluido de trabalho. A taxa de massa do ar é igual a 73 kg/s. O ar entra do compressor no estado 1 com pressão igual à pressão atmosférica e temperatura de 20 C. A relação de pressão do compressor é igual a 7,5 e eficiência de 85%. O ar é aquecido na câmara de combustão (combustor) até uma temperatura de Th = 1250 C. A turbina possui uma eficiência de 87%. O ar que sai da turbina entra no recuperador de calor no estado 4 onde transfere calor para a água, no ciclo de Rankine. A relação entre a taxa de massa da água no ciclo de Rankine em relação a taxa de massa do ar, no ciclo Brayton é igual a 0,1. O recuperador de calor tem uma diferença de temperatura de aproximação de Tb= 15 K, portanto a água deixando o recuperador alcança uma temperatura T9 = T4- Tb. Notar que T5 T8. O ar entra finalmente no gerador de vapor no estado 5, onde é utilizado para aquecer água. No estado 11, a água entra no gerador a T11 = Ta,e=20 C e pressão de 5 atm, saindo como vapor saturado na mesma pressão. A temperatura do ar na saida do gerador de vapor, T6 = Ta,s = 180 C. No ciclo de Rankine, a água entra na bomba como líquido saturado. A eficiência da bomba é igual a 65% enquanto sua pressão na saída é igual a pressão da caldeira, 8 MPa. A água entra no regenerador onde é convertida para vapor pela transferência de calor do ar. O vapor entra na turbina, no estado 9, cuja eficiência é igual a 84%. No condensador, calor é transferido do vapor para uma corrente de água na temperatura de 20 C. A diferença de temperatura de aproximação no condensador é igual a 5 K. Despreze as perdas de pressão nos trocadores de calor. a. Determine as propriedades (pressão, temperatura, entropia e entalpia, no mínimo) para todos os estados para os dois ciclos. Faça isso através de uma array table ; b. Determine a taxa de massa de vapor produzido no gerador de vapor; c. Confira a solução encontrada realizando um balanço de energia em toda planta;

2 d. Determine a eficiência do ciclo Brayton, a eficiência do ciclo Rankine e a eficiência do ciclo combinado (apenas em relação à potência produzida, desconsiderando o vapor produzido no gerador de vapor); e. Qual é a potência líquida produzida pelo ciclo? f. Considerando que o combustível utilizado é gás natural e o seu custo é de R$ 1,136463/m3 e que seu poder calorífico superior é igual a ,400 kj/m³, seu custo aproximado será de R$ 28,7/milhão de kj. Nessas condições, calcule o custo anual de combustível para operar a planta. Observações: a) Os cálculos deverão ser executados no EES. b) O trabalho entregue, em formato.docx, deverá conter o enunciado do problema, sua solução, comentários e as adaptações realizadas para sua solução. c) O trabalho deverá ser enviado para o [email protected] e o nome do arquivo deverá ser no formato: sobrenome_lista2.docx. d) O arquivo com o programa no EES também deverá ser anexado no .

3 Solução: o C Eficiência do ciclo o C 1200 o C 1100 o C 1000 o C Pr

4 o C Wpt o C 1000 o C 1100 o C 1200 o C Pr Ciclo orgânico de Rankine

5