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SEMANA 03 CICLOS TERMODINÂMICOS AVANÇADOS
Ciclos de Turbina de Gás - Aplicações Aeronáuticas
PROBLEMA 1 I. Numa refinaria de petróleo é utilizada uma central de turbina a gás em ciclo aberto para
fornecer energia eléctrica. A turbina está ligada a um gerador que debita uma potência eléctrica
de 2400kW, sendo o rendimento global (mecânico e eléctrico) de 92%. O caudal dos gases de
escape da turbina estão a 530oC. Uma parte deste caudal (2 kg/s) é utilizado num forno da
refinaria e o restante é utilizado num permutador de calor em contracorrente para aquecer o ar à
saída do compressor, sendo depois libertados para a atmosfera a 400 oC. O ar é alimentado ao
compressor a 1,013bar e 20 oC onde é comprimido com uma relação de compressão de 8/1.
As quedas de pressão ao longo da instalação foram estimadas nos seguintes valores:
Caudal de ar no permutador de calor 0,16 bar
Câmara de combustão 0,12 bar
Caudal de gases da combustão no permutador de calor 0,05 bar
Os rendimentos isentrópicos da compressão e da expansão valem, respectivamente 85% e
92%. Desprezando as perdas de calor para o exterior no permutador de calor e o caudal mássico
de combustível, determine:
a) O caudal mássico alimentado ao compressor;
b) A temperatura do ar à entrada da câmara de combustão;
c) O rendimento global da instalação.
II. Considere agora a situação do forno a funcionar à custa da queima de um combustível
fóssil. Para isso o caudal de gases de escape da turbina é substituído por gases da combustão, os
quais não deverão ultrapassar a temperatura de 1200oC para que as tubagens não tenham de ser
alteradas. Propõe-se, então utilizar um queimador a funcionar com gás propano, colocado na
tubagem de alimentação do forno. Sabe-se que este queimador tem um limite de flamabilidade
inferior de 0,7. Discuta o modo de operação do forno em termos dos caudais utilizados para se
conseguir a potência térmica necessária determinando, nomeadamente:
i) os caudais minimo e máximo de propano que pode ser utilizado;
ii) os caudais minimo e máximo de ar;
iii) a variação da temperatura dos gases da combustão e da composição dos produtos da
combustão em função do caudal de propano.
III. Compare as duas soluções adoptadas.
PROBLEMA 2
I. Um veículo automóvel é movido por um motor de turbina de gás. Este inclui dois
compressores centrífugos em série com uma razão de pressão total de 6/1 e um regenerador a
montante da câmara de combustão com uma eficiência de 65%. A expansão é feita em dois
estágios, estando a turbina de alta pressão ligada ao veio dos compressores e a de baixa pressão
ao veio de transmissão. O ar é alimentado ao motor a 15 oC e os gases da combustão são
alimentados à turbina de alta pressão a 800 oC. São os seguintes os rendimentos isentrópicos e
de transmissão:
Rendimento isentrópico da turbina de alta pressão (A.P.): 85%
Rendimento isentrópico da turbina de baixa pressão (B.P.): 85%
Rendimento isentrópico da compressão: 80%
Transmissão turbina A.P./Compressor: 98%
Transmissão Turbina B.P./veio: 98%
determine:
a) O rendimento térmico do ciclo;
b) A potência de propulsão quando o caudal mássico de ar é de 0,7 kg/s;
II. Considere que na câmara de combustão é queimado um combustível com propriedades
semelhantes às do kerosene (C10H20).
i) Determine consumo especifico de combustível se o rendimento da combustão for 97%.
ii) Determine o excesso de ar utilizado na combustão;
iii) Represente gráficamente a variação da temperatura dos gases à entrada da turbina e a
variação da composição dos gases emitidos para a atmosfera quando o excesso de ar na
combustão varia entre 0% e 200%.
PROBLEMA 3
Um avião a jacto voa a uma velocidade de 260 m/s a uma altitude de 5000m, à qual a pressão e
a temperatura atmosféricas são, respectivamente, 0,60 bar e 250K. A relação de compressão no
compressor é de 8:1e a temperatura dos gases à entrada da turbina é de 1300K. Sabendo que:
O aumento de pressão no difusor é 92% do valor teórico esperado;
Rendimento isentrópico do compressor 0 82%
Rendimento isentrópico da turbina = 86%
Rendimento da tubeira = 95%
Determine:
a) A pressão e a temperatura em todos os pontos do ciclo;
b) O trabalho específico de compressão
c) A velocidade do jacto à saída da tubeira.
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