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.