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MÁQUINAS TÉRMICAS

AT-101

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

alansulato@ufpr.br

TURBINAS A GÁS

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TURBINAS A GÁS

HISTÓRICO:

O desenvolvimento inicial das turbinas, ocorreu

primeiramente com as turbinas hidráulicas e vapor,

estes foram os primeiros equipamentos deste

segmento utilizados para a produção de potência, hoje

em dia é fato o avanço das turbinas a gás, sendo

estas utilizadas isoladamente ou em ciclos

combinados.

TURBINAS A GÁS

HISTÓRICO:

Alguns exemplos podem ser detectados na história da

humanidade quanto a utilização 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 chaminé para promover

rotacionamento de um alimento a ser assado.

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TURBINAS A GÁS

HISTÓRICO:

Muito tempo depois, em 1791, um inglês chamado

John Barber, desenvolveu um equipamento que

incorporava muitos elementos de uma turbina a gás

moderna, porém utilizava um compressor alternativo.

Outros equipamentos foram desenvolvidos durante a

mesma época, mas não poderiam ser consideradas

verdadeiras turbinas a gás devido ao fato que

utilizavam vapor em um certo ponto do processo.

TURBINAS A GÁS

HISTÓRICO:

Em 1872, Stolze desenhou a primeira turbina a gás.

Este equipamento possuía compressão em varias

etapas com fluxo axial.

Outros desenvolvimentos foram notados após as

grandes guerras mundiais onde na Alemanha e

Inglaterra desenvolvem as primeiras turbinas para

propulsão de aviões.

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TURBINAS A GÁS

DEFINIÇÃO:

A turbina a gás (TG) é definida como sendo uma

máquina térmica, onde a energia potencial

termodinâmica contida nos gases quentes

provenientes de uma combustão é convertida em

trabalho mecânico ou utilizada para propulsão.

Turbina a Gás

TURBINAS A GÁS

DEFINIÇÃO:

Desta forma, as turbinas a gás são máquinas

tecnicamente muito complexas, com inúmeras partes

móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e

controle eletrônico visando basicamente a conversão

da energia contida no combustível em potência de

eixo.

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TURBINAS A GÁS

CARACTERÍSTICAS:

As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases

quentes, produto da combustão, o que dispensa a

utilização de um fluido de trabalho intermediário, como

o vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades mais

compactas, para os mesmos níveis de produção de

potência.

Não apresentam uma flexibilidade em relação ao

combustível a ser utilizado, assim não se recomenda a

utilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas),

pois podem comprometer elementos do equipamento.

TURBINAS A GÁS

PARTES COMPONENTES:

As principais partes componentes da turbina a gás

são:

Compressor,

Câmara de combustão,

Turbina,

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TURBINAS A GÁS

PARTES COMPONENTES:

As principais partes componentes da turbina a gás

são:

AR

TURBINAS A GÁS

PARTES COMPONENTES:

Outras partes são:

Linha de admissão de ar e combustível,

Carcaça,

Pás,

Difusor e linha de exaustão.

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TURBINAS A GÁS

PARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

Principais partes componentes de uma turbina a gás

TURBINAS A GÁS

PARTES COMPONENTES:

Esquematicamente:

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TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

As TG’s funcionam admitindo ar em condição

ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor,

onde ocorre compressão adiabática com aumento de

pressão e conseqüentemente também aumento de

temperatura. Cada estágio do compressor é formado

por uma fileira de palhetas rotativas que impõem

movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma

fileira de palhetas estáticas, que converte a energia

cinética em aumento de pressão.

TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmara

de combustão, onde também é alimentado com um

combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na

combustão ocorre um aumento de temperatura a

pressão constante, produzindo um aumento de volume

do fluxo de gases.

Estes gases quentes e pressurizados acionam a

turbina de potência, gerando trabalho mecânico.

Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente

liberados ainda em alta temperatura.

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TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmente

trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18

estágios de compressão. Cada estágio do compressor

é formado por uma fileira de palhetas rotativas que

impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e

uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia

cinética para compressão. O ar sai do compressor a

uma temperatura que pode variar entre 300°C e

450°C.

TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

Cerca de metade da potência produzida pela turbina

de potência é utilizada no acionamento do compressor

e o restante é a potência líquida gerada que

movimenta um gerador elétrico.

Saindo da câmara de combustão, os gases têm

temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina,

os gases são liberados ainda com significante

disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas

entre 500 e 650 celsius.

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TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e

de maior porte aproveitam este potencial através de

um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo

Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo

combinado, de eficiência térmica freqüentemente

superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente

35%.

TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

Turbinas projetadas para operar em ciclo simples,

tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm

temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e

têm otimizada taxa de compressão. A taxa de

compressão é a relação entre a pressão do ar na

entrada da turbina e na saída do compressor. Por

exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor

a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.

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TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

A passagem dos gases quentes gera forças, que

aplicadas às pás da turbina, determinam um momento

motor resultante, que faz girar o rotor.

Gases quentes

Rotor

Passagem dos gases quentes pela turbina

TURBINAS A GÁS

FUNCIONAMENTO:

Turbina a Gás

Gases

Entrada

Gases

Saída

Variação de entalpia

Variação de energia cinética

Variação de energia potencial

Trabalho

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TURBINAS A GÁS

UTILIZAÇÃO:

São usadas principalmente para o acionamento de

geradores elétricos e propulsão aérea e marítima.

Principais utilizações das turbinas a gás

TURBINAS A GÁS

CLASSIFICAÇÃO:

A classificação das turbinas a gás é normalmente feita

segundo:

Condições de emprego (estacionária ou de

propulsão)

Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado)

Outros (Arranjo, tipo de combustível, velocidade de

rotação, pressão).

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TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

Turbinas a gás dedicadas à geração de energia

elétrica são divididas em duas principais categorias, no

que se refere à concepção. São elas as pesadas

(Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a

geração de energia elétrica ou propulsão naval e as

aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos

anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.

Existem ainda as micro-turbinas (dedicadas à geração

descentralizada de energia elétrica).

TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

~

Empuxo

Gerador elétrico

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TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

= 30%

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TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

= 40%

TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

= 60%

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TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

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

TURBINAS A GÁS

EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS:

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TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

TURBINAS A GÁS

CONDIÇÕES DE EMPREGO:

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TURBINAS A GÁS

CICLO TERMODINÂMICO:

O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gás

comumente empregadas na produção de energia

elétrica e na propulsão de embarcações, locomotivas e

aviões.

TURBINAS A GÁS

CICLO TERMODINÂMICO:

Brayton

w12

w34

w12

w34

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TURBINAS A GÁS

EQUAÇÕES:

As equações à seguir podem ser obtidas à partir do

balanço de massa e energia do volume de controle.

Para efeito de simplificação, podemos desconsiderar a

variação de energia cinética e potencial do sistema.

TURBINAS A GÁS

CICLO TERMODINÂMICO:

Brayton

Onde:

Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/kg ou kJ/kg

W Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kJ/kg

C Calor específico em J/kg.K ou kJl/kg.K

h Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kg

T Temperatura em K (kelvin)

Eficiência (%)

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TURBINAS A GÁS

CICLO BRAYTON:

TURBINAS A GÁS

CICLOS:

Típico ciclo de Brayton

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TURBINAS A GÁS

CICLOS:

Ciclo regenerativo

TURBINAS A GÁS

CICLOS:

Ciclo com câmara de reaquecimento

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TURBINAS A GÁS

CICLOS:

Ciclo com inter-resfriamento

TURBINAS A GÁS

CICLOS:

Ciclo com inter-resfriamento e câmara de reaquecimento

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TURBINAS A GÁS

CICLOS:

Regeneração e múltiplos ciclos de inter-resfriamento e

câmaras de reaquecimento

TURBINAS A GÁS

CICLO BRAYTON (Real):

Num ciclo Brayton real, a compressão exercida pelo

compressor e a expansão na turbina não são

isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos

não são reversíveis, 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 pressão na câmara de combustão, nos trocadores

de calor e na entrada e saída dos tubos de exaustão.

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TURBINAS A GÁS

CICLO BRAYTON REAL:

Ocorre uma derivação

do ciclo real

Eficiência de um ciclo real é menor do que a eficiência de um ciclo teórico.

TURBINAS A GÁS

CICLO DE PROPULSÃO-JATO:

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TURBINAS A GÁS

CICLO DE PROPULSÃO-JATO:

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 1:

Considere o ciclo que descreve um processo

industrial de geração de energia elétrica, onde uma

turbina a gás utiliza como combustível gás natural.

Calcule o rendimento térmico do processo.

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 1:

T1= 20ºC T4= 600ºC

T2= 50ºC

C=0,3232 kJ/kg.K

C=0,3023 kJ/kg.K

T3= 1000ºC

C=0,3189 kJ/kg.K

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 1:

Calcule:

Trabalho consumido pelo compressor.

Calor inserido no sistema pelo queimador.

Trabalho efetuado pela turbina.

Eficiência térmica do processo.

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 1:

Trabalho consumido pelo compressor (1-2)

W12=-C.(T2-T1)

Trabalho efetuado pela turbina (3-4)

W34=C.(T3-T4)

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 1:

Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3)

Q23=C(T3-T2)

Eficiência térmica do processo

={[Wlíquido]/Qentra} * 100

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 2:

Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em

consideração as seguintes informações:

Ve=8,3 m/s

.

m=45 kg/s

Vs=145 m/s

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 2:

Empuxo

T=m(Vs-Ve)

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 3:

Calcular a eficiência térmica do sistema e a razão

Wc/Wt.

T1= 26ºC T4= 650ºC

T2= 160ºC T3= 800ºC

C=0,3023 kJ/kg.K

C=0,3283 kJ/kg.K

C=0,3198 kJ/kg.K

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 3:

={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100

Razão Wc/Wt = Wc/Wt

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 4:

Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e

a potencia desenvolvida pela turbina.

T1= 20ºC T4= 400ºC

T2= 120ºC T3= 650ºC

Fluxo = 3000 kg/h

C=0,3123 kJ/kg.K

C=0,3331 kJ/kg.K

C=0,3232 kJ/kg ºC

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 3:

={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100

Razão Wc/Wt = Wc/Wt

Potência = Wt * Fluxo

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 5:

Calcular a eficiência térmica do sistema (Regenerativo),

razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.

T4= 470ºC

T3= 720ºC T2= 90ºC

T1= 22ºC

Fluxo = 2200 kg/h

Compressor Turbina

Trocador

de Calor

Câmara de

combustão

Combustível

1

2

2’ 3

4

W (

tra

ba

lho

)

Eixo

Entrada de ar

Saída de gases

T2’= 280ºC

* C em kJ/kg.K

C=0,3023

C=0,3083 C=0,3213

C=0,3183

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 5:

={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2’)} * 100

Razão Wc/Wt = Wc/Wt

Potência = Wt * Fluxo

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 6:

Calcular a eficiência térmica do sistema e o consumo de

combustível.

h1=119,1 KJ/kg

Fluxo = 25000 kg/h

PC gás = 15000 kcal/kg

gás = 1,3 kg/m³

h2=189,0 KJ/kg

h3=1737,0 KJ/kg

h4=1575,0 KJl/kg

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 6:

={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100

Consumo de Combustível = (CC)

CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC

CC m³= kg/h / 1,3 kg/m³

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 7:

Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e

a potencia desenvolvida pela turbina.

T2= 97ºC

T1= 23ºC

Compressor Turbina 1

Câmara de

combustão

Combustível

1

2

W (

tra

ba

lho

)

Eixo

Entrada de ar Saída de gases

Turbina 2

Câmara de

Reaquecimento

3

4 5

6 C=0,3123

T3= 890ºC

T4= 670ºC

C=0,3153

T5= 820ºC

C=0,3113

T6= 640ºC

* C em KJ/kg ºC

C=0,3023

C=0,3232 C=0,3213

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 7:

={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr)

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TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 8:

Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em

consideração as seguintes informações:

V1=8,4 m/s

m1=70 kg/s

V2=147 m/s

m2=85 kg/s

V3=182 m/s

Pós-Combustão

TURBINAS A GÁS

EXERCÍCIO 8:

Empuxo

T=m1(V2-V1)+m2(V3-V2)