TG - Aulas 6 a 12

Disciplina: Turbinas a Gás

Prof. Alcides Codeceira Neto


Aula 6Aula 6


Programa da Disciplina

1)Introdução ao Estudo das Turbinas a Gás

2) Considerações Importantes sobre Termodinâmica

3) Análise dos Componentes de uma Turbina a Gás

4)A Turbina a Gás “On-Design”

5)A Turbina a Gás “Off-Design”

2) Considerações Importantes sobre 2) Considerações Importantes sobre Termodinâmica

2) Considerações Importantes sobre Termodinâmica

2.1) Trabalho e Calor

2.2) Primeira Lei da Termodinâmica2.2) Primeira Lei da Termodinâmica

2.3) Equação da Continuidade de Massa

2.4) Segunda Lei da Termodinâmica

2.5) O Fluido Gasoso

2.6) O Ciclo Brayton Ideal

2.1) Trabalho e Calor

• São formas de transferência de energia de um sistema para outro.

• São importantes na análise de processos e sistemas térmicos

2.2) Primeira Lei da Termodinâmica

Lei da Conservação de Energia

WQE −=∆

2.2) Primeira Lei da Termodinâmica

Lei da Conservação da Energia

2.3) Equação da Continuidade de Massa

Fluxo em uma Dimensão

VelAm ⋅⋅=•

ρ

2.4) Segunda Lei da Termodinâmica

( )

QW útil

1

=η

( )

QQ

QQQ

1

2

1

21

1 −=

−=

η

η


Constante de Compressibilidade para o Gás

TR

vpZ

.

.=

Onde:

Z = constante de compressibilidade do gásP = pressãoV = volume específicoR = constante específica do gásT = temperatura

Para o gás ideal: Z = 1

TRvp .. =


Constante Específica dos Gases

M

RR =

Onde:

R = Constante específica dos gases (kJ/kg.K)R- = Constante Universal dos Gases (8,314510 kJ/kmol.K)M = Massa Molecular (kg/kmol)

MR =


Aula 7Aula 7




Processo 1 - 2: Compressão isentrópica do fluido de trabalho através do comprensor.

Processo 2 – 3: Transferência de calor para o fluido de trabalho no trocador de calor, à pressão constante.

Processo 3 – 4: Expansão isentrópica na turbina.

Processo 4 - 1: Transferência de calor do fluido de trabalho no trocador de calor, à pressão constante.


Considerações sobre o Ciclo Brayton Ideal

• Considera-se o fluido de trabalho com propriedades de um gás ideal.

• Perdas são desprezadas nos processos de compressão e • Perdas são desprezadas nos processos de compressão e expansão.

• Não consideram-se as perdas por pressão nos trocadores de calor.

• Não consideram-se as perdas no eixo rotativo da máquina.

• Despreza-se o fluxo de massa de combustível.



( )

( )

( )TTchhQ

TTchhw

TTchhw

pt

pc

−=−=

−=−=

−=−=

4343

1212

.

.

.

( )

( )

Qw

www

TTchhQ

TTchhQ

in

útil

ctútil

pout

pin

=

−=

−=−=

−=−=

η

1414

2323.


( )

−

11

γγ

−=

r c

11

γ

η


Efeito da Razão de Compressão para uma mesma Temperatura de Entrada da Turbina


Aula 8Aula 8


3) Análise dos Componentes de uma 3) Análise dos Componentes de uma Turbina a Gás - Performance

3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor

3.2 – Modelagem do Combustor

3.3 – Parâmetros Importantes para a Turbina a Gás

3) Análise dos Componentes de uma Turbina a Gás - Performance

3.4 – Emissões

3.5 – Irreversibilidades na Turbina a Gás

3.6 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Industrial de Eixo Único

3.7 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Aeroderivada

3.8 – Cálculo da Eficiência Térmica da Turbina a Gás








3.1 – A Câmara de Combustãoou Combustor




Aula 9Aula 9



Definição da Razão Combustível - Ar

•

ηcc

teórica

real

farfar =

ηηηηcc = Eficiência de Combustão

far = Razão Combustível - Ar

•

•

=

m

mfarar

comb

real

Definição de Poder Calorífico

FormaçãodeEntalpia

hh

h

hf

=

∆+=

__0

0


Th

SensívelCalorh

FormaçãodeEntalpia

c

h

p

f

∆=∆

=∆

=

.

_

__0

Entalpia


Condições Normais de Temperatura e Pressão : 25 ºC e 1 bar

•Q


•

mar

•

mcomb

•

mgás

Reator Químico



hhh

hh

fffQ

Q

combargás

reagentesprodutos

000)( +−=

−=

hhhm

hhhm

fffarffar

QPCI

fffarffar

Q

combargás

combargás

comb

comb

000

000

.1

.1

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.1

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1

+

+

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−

+=

•

•

•

•


PCI = Poder Calorífico Inferior


hhhm

fffarffar

QPCI

combargás

comb

000.

1.

11 +

+

+−=−= •

•


Aula 10Aula 10



•

mcomb

•

mar

•

mgásCombustor

2 3

hmhmhm gásgáscombcombarar...

•••

=+


Cálculo do Fluxo de Massa de Combustível

•••

+= mmm += mmm combargás

)15,298.(

)15,298.()15,298.(

3

23

−−

−−−=

TcTcTc

farpPCI

pp

gás

argás

teórica


Cálculo do Fluxo de Massa de Combustível

ηcc

teóricaarrealarcomb

farmfarmm ..

•••

==


Aula 11Aula 11



Cálculo da Pressão na Saída do Combustor

•

mcomb

−= ∆ −

PPPP

2

3223

1.

•

mar

•

mgásCombustor

2 3


Cálculo da Potência Térmica de Entrada no Combustor

PCImQ .••

= PCImQ combin.=

= Potência Térmica de Entrada no Combustor (kW)

= Fluxo de massa de Combustível (kg/s)

= Poder Calorífico Inferior do Combustivel (kJ/kg)

•

Qin

•

mcomb

PCI

3.3 – Parâmetros Importantes para a Turbina a Gás

Razão de Compressão

Pr 2=

Temperatura de Entrada da Turbina

PPr c

1

2=

TTET3

=

3.4 – Emissões3.4 – Emissões

3.4 – Emissões

3.4 – Emissões

Principais Gases do Efeito Estufa

• Dióxido de Carbono (CO2)• Dióxido de Carbono (CO2)

• Metano (CH4)

• CFC (Cloro – Flúor – Carbono)

• Vapor de água (H2O)

• Óxido Nitroso (N2O)

3.4 – Emissões

3.4 – Emissões

Aumento da Quantidade de CO2 Equivalente

3.4 – Emissões

Principais Consequências do Aquecimento Global

• Mudança na vegetação das diversas regiões do PlanetaPlaneta

• Aumento do nível do mar (derretimento das geleiras polares)

• Aumento da temperatura do Planeta

• Variabilidade e imprevisibilidade dos padrões climáticos (tais como secas, enchentes, ciclones, tempestades tropicais, furações, etc.)


Aula 12Aula 12




Eficiência Isentrópica do Compressor

( )( )TTc

TTcWW

p

p

c

cis

arideal

c

s 12

.

.

−

−==η

Eficiência Isentrópica da Turbina

( )TTcW pcis

arreal

c12

. −

( )( )TTc

TTcWW

sp

p

t

tis

gás

gás

ideal

real

T43

43

.

.

−

−==η


Cálculo da Temperatura do Ar na Saída do Compressor

( )( )

−+=

−

1.1

1.1

12 rTT cisc

γγ

η


Cálculo da Temperatura dos Gases de Exaustão na Saída da Turbina

( )

−−=

−

P

PTT ist

4

3

11.1.

134γ

γη

3.6 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Industrial de Eixo Único

GásaTurbinadaÚtilPotênciaW

WWW

útil

ctmecútil

_____

.

=

−=

•

•••

η

CompressordoPotência

TurbinadaPotência

RotativoEixonoMecânicaEficiência

W

W

c

t

mec

__

__

____

=

=

=

•

•

η

3.7 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Aeroderivada

GásaTurbinadaÚtilPotênciaW

WW

WW

útil

tmecc

TPLmecútil

_____

.

.

=

=

=

•

••

••

η

η

CompressordoPotência

LivrePotênciadeTurbinadaPotência

GásdeGeradordoTurbinadaPotência

RotativoEixonoMecânicaEficiência

GásaTurbinadaÚtilPotência

W

W

W

W

c

TPL

t

mec

útil

__

_____

______

____

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=

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•

•

•

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•

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Q

W

in

útil

thη


•

W ••

•=

Q

W

in

útil

thη PCImQ combin

.••

=

PCI = Poder Calorífico Inferior do Combustível

3.8 – Cálculo da Consumo Específico de Combustível - sfc

•• kg

=

= •

•

•

•

kWhkg

kWs

kgsfc

W

m

W

m

útil

comb

útil

comb3600.

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