ciclo brayton

Universidade Federal do Paran Curso de Engenharia Industrial Madeireira

MQUINAS TRMICAS AT-056 ATM.Sc. Alan Sulato de Andrade [email protected]

TURBINAS A GS

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TURBINAS A GSHISTRICO: O desenvolvimento inicial das turbinas, ocorreu primeiramente com as turbinas hidrulicas e vapor, estes foram os primeiros equipamentos deste segmento utilizados para a produo de potncia, hoje em dia fato o avano das turbinas a gs, sendo estas utilizadas isoladamente ou em ciclos combinados.

TURBINAS A GSHISTRICO: Alguns exemplos podem ser detectados na histria da humanidade quanto a utilizao dos gases quentes como fluido de trabalho. Dentre os mais antigos, vale destacar o exemplo de Leonardo Davinci, que por volta de 1500 (D.C.) elaborou um esquema de um dispositivo que poderia utilizar os gases quentes rejeitados para uma chamin para promover rotacionamento de um alimento a ser assado.

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TURBINAS A GSHISTRICO: Muito tempo depois, em 1791, um ingls chamado John Barber, desenvolveu um equipamento que incorporava muitos elementos de uma turbina a gs moderna, porm utilizava um compressor alternativo. Outros equipamentos foram desenvolvidos durante a mesma poca, mas no poderiam ser consideradas verdadeiras turbinas a gs devido ao fato que utilizavam vapor em um certo ponto do processo.

TURBINAS A GSHISTRICO: Em 1872, Stolze desenhou a primeira turbina a gs. Este equipamento possua compresso em varias etapas com fluxo axial. Outros desenvolvimentos foram notados aps as grandes guerras mundiais onde na Alemanha e Inglaterra desenvolvem as primeiras turbinas para propulso de avies.

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TURBINAS A GSDEFINIO: A turbina a gs (TG) definida como sendo uma mquina trmica, onde a energia potencial termodinmica contida nos gases quentes provenientes de uma combusto convertida em trabalho mecnico ou utilizada para propulso.

Turbina a Gs

TURBINAS A GSDEFINIO: Desta forma, as turbinas a gs so mquinas tecnicamente muito complexas, com inmeras partes mveis e sofisticados sistemas de lubrificao e controle eletrnico visando basicamente a converso da energia contida no combustvel em potncia de eixo.

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TURBINAS A GSCARACTERSTICAS: As turbinas a gs so acionadas pelos prprios gases quentes, produto da combusto, o que dispensa a utilizao de um fluido de trabalho intermedirio, como o vapor, ou outro fludo. Isto leva a unidades mais compactas, para os mesmos nveis de produo de potncia. No apresentam uma flexibilidade em relao ao combustvel a ser utilizado, assim no se recomenda a utilizao dos que produzem resduos slidos (cinzas), pois podem comprometer elementos do equipamento.

TURBINAS A GSPARTES COMPONENTES: As principais partes componentes da turbina a gs so: Compressor, Cmara de combusto, Turbina,

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TURBINAS A GSPARTES COMPONENTES: As principais partes componentes da turbina a gs so:AR

TURBINAS A GSPARTES COMPONENTES: Outras partes so: Linha de admisso de ar e combustvel, Carcaa, Ps, Difusor e linha de exausto.

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TURBINAS A GSPARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

Principais partes componentes de uma turbina a gs

TURBINAS A GSPARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

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TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: As TGs funcionam admitindo ar em condio ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor, onde ocorre compresso adiabtica com aumento de presso e conseqentemente tambm aumento de temperatura. Cada estgio do compressor formado por uma fileira de palhetas rotativas que impem movimento ao fluxo de ar (energia cintica) e uma fileira de palhetas estticas, que converte a energia cintica em aumento de presso.

TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: O ar pressurizado (e aquecido), segue para as cmara de combusto, onde tambm alimentado com um combustvel que pode ser gasoso ou lquido. Na combusto ocorre um aumento de temperatura a presso constante, produzindo um aumento de volume do fluxo de gases. Estes gases quentes e pressurizados acionam a turbina de potncia, gerando trabalho mecnico. Depois, os gases, ainda quentes, so finalmente liberados ainda em alta temperatura.

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TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: Nas turbinas a gs, o compressor utilizado geralmente trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18 estgios de compresso. Cada estgio do compressor formado por uma fileira de palhetas rotativas que impem movimento ao fluxo de ar (energia cintica) e uma fileira de palhetas estticas, que utiliza a energia cintica para compresso. O ar sai do compressor a uma temperatura que pode variar entre 300 e C 450 C.

TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: Cerca de metade da potncia produzida pela turbina de potncia utilizada no acionamento do compressor e o restante a potncia lquida gerada que movimenta um gerador eltrico. Saindo da cmara de combusto, os gases tm temperatura de at 1250 Aps passar pela turbina, C. os gases so liberados ainda com significante disponibilidade energtica, tipicamente a temperaturas entre 500 e 650 celsius.

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TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: Considerando isso, as termeltrica mais eficientes e de maior porte aproveitam este potencial atravs de um segundo ciclo termodinmico, a vapor (ou Ciclo Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo combinado, de eficincia trmica freqentemente superior a 60%, ciclos simples a gs tm tipicamente 35%.

TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: Turbinas projetadas para operar em ciclo simples, tendo em vista a eficincia trmica do ciclo, tm temperatura de sada de gases reduzida ao mximo e tm otimizada taxa de compresso. A taxa de compresso a relao entre a presso do ar na entrada da turbina e na sada do compressor. Por exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor a 15 atm, a taxa de compresso de 1:15.

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TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO: A passagem dos gases quentes gera foras, que aplicadas s ps da turbina, determinam um momento motor resultante, que faz girar o rotor.Gases quentes Rotor

Passagem dos gases quentes pela turbina

TURBINAS A GSFUNCIONAMENTO:Gases Entrada

Turbina a Gs Trabalho Variao de entalpia Variao de energia cintica Variao de energia potencial

Gases Sada

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TURBINAS A GSUTILIZAO: So usadas principalmente para o acionamento de geradores eltricos e propulso area e martima.

Principais utilizaes das turbinas a gs

TURBINAS A GSCLASSIFICAO: A classificao das turbinas a gs normalmente feita segundo: Condies de emprego (estacionria ou de propulso) Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado) Outros (Arranjo, tipo de combustvel, velocidade de rotao, presso).

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TURBINAS A GSCONDIES DE EMPREGO: Turbinas a gs dedicadas gerao de energia eltrica so divididas em duas principais categorias, no que se refere concepo. So elas as pesadas (Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a gerao de energia eltrica ou propulso naval e as aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos anteriores dedicados a aplicaes aeronuticas. Existem ainda as micro-turbinas (dedicadas gerao descentralizada de energia eltrica).

TURBINAS A GSCONDIES DE EMPREGO:

~Gerador eltrico

Empuxo

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= 30%

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= 40%


= 60%

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Geralmente dimensiona-se 2 TG para 1TV todas com a mesma potencia

TURBINAS A GSEVOLUO DOS EQUIPAMENTOS:

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TURBINAS A GSCICLO TERMODINMICO: O ciclo Brayton descreve a operao de turbinas a gs comumente empregadas na produo de energia eltrica e na propulso de embarcaes, locomotivas e avies.

TURBINAS A GSCICLO TERMODINMICO: Brayton

w34 w12 w12

w34

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TURBINAS A GSEQUAES: As equaes seguir podem ser obtidas partir do balano de massa e energia do volume de controle. Para efeito de simplificao, podemos desconsiderar a variao de energia cintica e potencial do sistema.

TURBINAS A GSCICLO TERMODINMICO: Brayton

Onde: Q W C h T

Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/kg ou kJ/kg Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kJ/kg Calor especfico em J/kg.K ou kJl/kg.K Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kg Temperatura em K (kelvin) Eficincia (%)

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TURBINAS A GSCICLO BRAYTON:

TURBINAS A GSCICLOS:

Tpico ciclo de Brayton

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Ciclo regenerativo


Ciclo com cmara de reaquecimento

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Ciclo com inter-resfriamento


Ciclo com inter-resfriamento e cmara de reaquecimento

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Regenerao e mltiplos ciclos de inter-resfriamento e cmaras de reaquecimento

TURBINAS A GSCICLO BRAYTON (Real): Num ciclo Brayton real, a compresso exercida pelo compressor e a expanso na turbina no so isoentrpicos. Em outras palavras, estes processos no so reversveis, e a entropia se modifica durante os processos (tende a aumentar devido a SLT). Outro fator se trata do atrito do fluido que resulta em perda de presso na cmara de combusto, nos trocadores de calor e na entrada e sada dos tubos de exausto.

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TURBINAS A GSCICLO BRAYTON REAL:

Ocorre uma derivao do ciclo real

Eficincia de um ciclo real menor do que a eficincia de um ciclo terico.

TURBINAS A GSCICLO DE PROPULSO-JATO:

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TURBINAS A GSCICLO DE PROPULSO-JATO:

TURBINAS A GSEXERCCIO 1: Considere o ciclo que descreve um processo industrial de gerao de energia eltrica, onde uma turbina a gs utiliza como combustvel gs natural. Calcule o rendimento trmico do processo.

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TURBINAS A GSEXERCCIO 1:C=0,3232 kJ/kg.K T2= 50C T3= 1000C

C=0,3023 kJ/kg.K

C=0,3189 kJ/kg.K T4= 600C

T1= 20C

TURBINAS A GSEXERCCIO 1: Calcule: Trabalho consumido pelo compressor. Calor inserido no sistema pelo queimador. Trabalho efetuado pela turbina. Eficincia trmica do processo.

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TURBINAS A GSEXERCCIO 1: Trabalho consumido pelo compressor (1-2) W 12=-C.(T2-T1) Trabalho efetuado pela turbina (3-4) W 34=C.(T3-T4)

TURBINAS A GSEXERCCIO 1: Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3) Q23=C(T3-T2) Eficincia trmica do processo ={[Wlquido]/Qentra} * 100

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TURBINAS A GSEXERCCIO 2: Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em considerao as seguintes informaes:. m=45 kg/s

Ve=8,3 m/s

Vs=145 m/s

TURBINAS A GSEXERCCIO 2: Empuxo T=m(Vs-Ve)

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TURBINAS A GSEXERCCIO 3: Calcular a eficincia trmica do sistema e a razo Wc/Wt.C=0,3283 kJ/kg.K T2= 160C T3= 800C

C=0,3023 kJ/kg.K T1= 26C

C=0,3198 kJ/kg.K T4= 650C

TURBINAS A GSEXERCCIO 3: ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100 Razo Wc/Wt = Wc/Wt

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TURBINAS A GSEXERCCIO 4: Calcular a eficincia trmica do sistema, razo Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.

C=0,3331 kJ/kg.K T2= 120C C=0,3123 kJ/kg.K T1= 20C T3= 650C Fluxo = 3000 kg/h C=0,3232 kJ/kg C T4= 400C

TURBINAS A GSEXERCCIO 3: ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100 Razo Wc/Wt = Wc/Wt Potncia = Wt * Fluxo

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TURBINAS A GSEXERCCIO 5: Calcular a eficincia trmica do sistema (Regenerativo), razo Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.Sada de gases C=0,3083 T2= 90C 2Trocador de Calor Combustvel

* C em kJ/kg.K 2 3 T3= 720C W (trabalho) C=0,3183 T4= 470C 4 Fluxo = 2200 kg/h C=0,3213

T2= 280C Cmara de combusto C=0,3023 T1= 22CCompressor

Eixo

Turbina

1

Entrada de ar

TURBINAS A GSEXERCCIO 5: ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100 Razo Wc/Wt = Wc/Wt Potncia = Wt * Fluxo

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TURBINAS A GSEXERCCIO 6: Calcular a eficincia trmica do sistema e o consumo de combustvel.h3=1737,0 KJ/kg h2=189,0 KJ/kg Fluxo = 25000 kg/h PC gs = 15000 kcal/kg gs = 1,3 kg/m

h1=119,1 KJ/kg

h4=1575,0 KJl/kg

TURBINAS A GSEXERCCIO 6: ={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100 Consumo de Combustvel = (CC) CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC CC m= kg/h / 1,3 kg/m

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TURBINAS A GSEXERCCIO 7: Calcular a eficincia trmica do sistema, razo Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina. * C em KJ/kg CCombustvel

T2= 97C 2 C=0,3023 T1= 23CCmara de combusto

T3= 890C 3 4Turbina 1

Cmara de Reaquecimento

T5= 820C 5

Compressor

T4= 670C C=0,3153

Eixo

Turbina 2

1

C=0,3123

Entrada de ar

6 T6= 640C Sada de gases

C=0,3113

TURBINAS A GSEXERCCIO 7: ={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr)

W (trabalho)

C=0,3232

C=0,3213

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TURBINAS A GSEXERCCIO 8: Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em considerao as seguintes informaes:m1=70 kg/s m2=85 kg/s

V1=8,4 m/s

V2=147 m/s

V3=182 m/s

Ps-Combusto

TURBINAS A GSEXERCCIO 8: Empuxo T=m1(V2-V1)+m2(V3-V2)

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