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MĂQUINAS TĂRMICAS
AT-101
Universidade Federal do ParanĂĄ
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
Dr. Alan Sulato de Andrade
TURBINAS A GĂS
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TURBINAS A GĂS
HISTĂRICO:
O desenvolvimento inicial das turbinas, ocorreu
primeiramente com as turbinas hidrĂĄulicas e vapor,
estes foram os primeiros equipamentos deste
segmento utilizados para a produção de potĂȘncia, hoje
em dia é fato o avanço das turbinas a gås, sendo
estas utilizadas isoladamente ou em ciclos
combinados.
TURBINAS A GĂS
HISTĂRICO:
Alguns exemplos podem ser detectados na histĂłria 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 GĂS
HISTĂRICO:
Muito tempo depois, em 1791, um inglĂȘs chamado
John Barber, desenvolveu um equipamento que
incorporava muitos elementos de uma turbina a gĂĄs
moderna, porém utilizava um compressor alternativo.
Outros equipamentos foram desenvolvidos durante a
mesma Ă©poca, mas nĂŁo poderiam ser consideradas
verdadeiras turbinas a gĂĄs devido ao fato que
utilizavam vapor em um certo ponto do processo.
TURBINAS A GĂS
HISTĂRICO:
Em 1872, Stolze desenhou a primeira turbina a gĂĄs.
Este equipamento possuĂa compressĂŁo em varias
etapas com fluxo axial.
Outros desenvolvimentos foram notados apĂłs as
grandes guerras mundiais onde na Alemanha e
Inglaterra desenvolvem as primeiras turbinas para
propulsão de aviÔes.
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TURBINAS A GĂS
DEFINIĂĂO:
A turbina a gĂĄs (TG) Ă© definida como sendo uma
måquina térmica, onde a energia potencial
termodinĂąmica contida nos gases quentes
provenientes de uma combustĂŁo Ă© convertida em
trabalho mecĂąnico ou utilizada para propulsĂŁo.
Turbina a GĂĄs
TURBINAS A GĂS
DEFINIĂĂO:
Desta forma, as turbinas a gĂĄs sĂŁo mĂĄquinas
tecnicamente muito complexas, com inĂșmeras partes
móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e
controle eletrĂŽnico visando basicamente a conversĂŁo
da energia contida no combustĂvel em potĂȘncia de
eixo.
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TURBINAS A GĂS
CARACTERĂSTICAS:
As turbinas a gĂĄs sĂŁo acionadas pelos prĂłprios gases
quentes, produto da combustĂŁo, o que dispensa a
utilização de um fluido de trabalho intermediårio, como
o vapor, ou outro fluĂdo. Isto leva a unidades mais
compactas, para os mesmos nĂveis de produção de
potĂȘncia.
Não apresentam uma flexibilidade em relação ao
combustĂvel a ser utilizado, assim nĂŁo se recomenda a
utilização dos que produzem resĂduos sĂłlidos (cinzas),
pois podem comprometer elementos do equipamento.
TURBINAS A GĂS
PARTES COMPONENTES:
As principais partes componentes da turbina a gĂĄs
sĂŁo:
Compressor,
CĂąmara de combustĂŁo,
Turbina,
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TURBINAS A GĂS
PARTES COMPONENTES:
As principais partes componentes da turbina a gĂĄs
sĂŁo:
AR
TURBINAS A GĂS
PARTES COMPONENTES:
Outras partes sĂŁo:
Linha de admissĂŁo de ar e combustĂvel,
Carcaça,
PĂĄs,
Difusor e linha de exaustĂŁo.
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TURBINAS A GĂS
PARTES COMPONENTES:
Esquematicamente:
Principais partes componentes de uma turbina a gĂĄs
TURBINAS A GĂS
PARTES COMPONENTES:
Esquematicamente:
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TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
As TGâs funcionam admitindo ar em condição
ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor,
onde ocorre compressĂŁo adiabĂĄtica com aumento de
pressĂŁo e conseqĂŒentemente tambĂ©m aumento de
temperatura. Cada estĂĄgio do compressor Ă© formado
por uma fileira de palhetas rotativas que impÔem
movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma
fileira de palhetas estĂĄticas, que converte a energia
cinética em aumento de pressão.
TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
O ar pressurizado (e aquecido), segue para as cĂąmara
de combustão, onde também é alimentado com um
combustĂvel que pode ser gasoso ou lĂquido. Na
combustĂŁo ocorre um aumento de temperatura a
pressĂŁo constante, produzindo um aumento de volume
do fluxo de gases.
Estes gases quentes e pressurizados acionam a
turbina de potĂȘncia, gerando trabalho mecĂąnico.
Depois, os gases, ainda quentes, sĂŁo finalmente
liberados ainda em alta temperatura.
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TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
Nas turbinas a gĂĄs, o compressor utilizado geralmente
trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18
estĂĄgios de compressĂŁo. Cada estĂĄgio do compressor
Ă© formado por uma fileira de palhetas rotativas que
impÔem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e
uma fileira de palhetas estĂĄticas, 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 GĂS
FUNCIONAMENTO:
Cerca de metade da potĂȘncia produzida pela turbina
de potĂȘncia Ă© utilizada no acionamento do compressor
e o restante Ă© a potĂȘncia lĂquida gerada que
movimenta um gerador elétrico.
Saindo da cĂąmara de combustĂŁo, os gases tĂȘm
temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina,
os gases sĂŁo liberados ainda com significante
disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas
entre 500 e 650 celsius.
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TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e
de maior porte aproveitam este potencial através de
um segundo ciclo termodinĂąmico, a vapor (ou Ciclo
Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo
combinado, de eficiĂȘncia tĂ©rmica freqĂŒentemente
superior a 60%, ciclos simples a gĂĄs tĂȘm tipicamente
35%.
TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
Turbinas projetadas para operar em ciclo simples,
tendo em vista a eficiĂȘncia tĂ©rmica do ciclo, tĂȘm
temperatura de saĂda de gases reduzida ao mĂĄximo e
tĂȘm otimizada taxa de compressĂŁo. A taxa de
compressão é a relação entre a pressão do ar na
entrada da turbina e na saĂda do compressor. Por
exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor
a 15 atm, a taxa de compressĂŁo Ă© de 1:15.
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TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
A passagem dos gases quentes gera forças, que
aplicadas Ă s pĂĄs da turbina, determinam um momento
motor resultante, que faz girar o rotor.
Gases quentes
Rotor
Passagem dos gases quentes pela turbina
TURBINAS A GĂS
FUNCIONAMENTO:
Turbina a GĂĄs
Gases
Entrada
Gases
SaĂda
Variação de entalpia
Variação de energia cinética
Variação de energia potencial
Trabalho
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TURBINAS A GĂS
UTILIZAĂĂO:
SĂŁo usadas principalmente para o acionamento de
geradores elĂ©tricos e propulsĂŁo aĂ©rea e marĂtima.
Principais utilizaçÔes das turbinas a gås
TURBINAS A GĂS
CLASSIFICAĂĂO:
A classificação das turbinas a gås é normalmente feita
segundo:
CondiçÔes de emprego (estacionåria ou de
propulsĂŁo)
Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado)
Outros (Arranjo, tipo de combustĂvel, velocidade de
rotação, pressão).
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TURBINAS A GĂS
CONDIĂĂES DE EMPREGO:
Turbinas a gås 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 aplicaçÔes aeronåuticas.
Existem ainda as micro-turbinas (dedicadas à geração
descentralizada de energia elétrica).
TURBINAS A GĂS
CONDIĂĂES DE EMPREGO:
~
Empuxo
Gerador elétrico
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TURBINAS A GĂS
CONDIĂĂES DE EMPREGO:
Geralmente dimensiona-se 2 TG para 1TV todas com a mesma potencia
TURBINAS A GĂS
EVOLUĂĂO DOS EQUIPAMENTOS:
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TURBINAS A GĂS
CICLO TERMODINĂMICO:
O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gås
comumente empregadas na produção de energia
elétrica e na propulsão de embarcaçÔes, locomotivas e
aviÔes.
TURBINAS A GĂS
CICLO TERMODINĂMICO:
Brayton
w12
w34
w12
w34
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TURBINAS A GĂS
EQUAĂĂES:
As equaçÔes 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 GĂS
CICLO TERMODINĂMICO:
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 especĂfico em J/kg.K ou kJl/kg.K
h Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kg
T Temperatura em K (kelvin)
EficiĂȘncia (%)
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TURBINAS A GĂS
CICLOS:
Ciclo regenerativo
TURBINAS A GĂS
CICLOS:
Ciclo com cĂąmara de reaquecimento
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TURBINAS A GĂS
CICLOS:
Ciclo com inter-resfriamento
TURBINAS A GĂS
CICLOS:
Ciclo com inter-resfriamento e cĂąmara de reaquecimento
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TURBINAS A GĂS
CICLOS:
Regeneração e mĂșltiplos ciclos de inter-resfriamento e
cĂąmaras de reaquecimento
TURBINAS A GĂS
CICLO BRAYTON (Real):
Num ciclo Brayton real, a compressĂŁo exercida pelo
compressor e a expansĂŁo na turbina nĂŁo sĂŁo
isoentrĂłpicos. Em outras palavras, estes processos
nĂŁo sĂŁo reversĂveis, 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 pressĂŁo na cĂąmara de combustĂŁo, nos trocadores
de calor e na entrada e saĂda dos tubos de exaustĂŁo.
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TURBINAS A GĂS
CICLO BRAYTON REAL:
Ocorre uma derivação
do ciclo real
EficiĂȘncia de um ciclo real Ă© menor do que a eficiĂȘncia de um ciclo teĂłrico.
TURBINAS A GĂS
CICLO DE PROPULSĂO-JATO:
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TURBINAS A GĂS
CICLO DE PROPULSĂO-JATO:
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 1:
Considere o ciclo que descreve um processo
industrial de geração de energia elétrica, onde uma
turbina a gĂĄs utiliza como combustĂvel gĂĄs natural.
Calcule o rendimento térmico do processo.
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 1:
T1= 20ÂșC T4= 600ÂșC
T2= 50ÂșC
C=0,3232 kJ/kg.K
C=0,3023 kJ/kg.K
T3= 1000ÂșC
C=0,3189 kJ/kg.K
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 1:
Calcule:
Trabalho consumido pelo compressor.
Calor inserido no sistema pelo queimador.
Trabalho efetuado pela turbina.
EficiĂȘncia tĂ©rmica do processo.
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 1:
Trabalho consumido pelo compressor (1-2)
W12=-C.(T2-T1)
Trabalho efetuado pela turbina (3-4)
W34=C.(T3-T4)
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 1:
Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3)
Q23=C(T3-T2)
EficiĂȘncia tĂ©rmica do processo
={[WlĂquido]/Qentra} * 100
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 2:
Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em
consideração as seguintes informaçÔes:
Ve=8,3 m/s
.
m=45 kg/s
Vs=145 m/s
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 2:
Empuxo
T=m(Vs-Ve)
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 3:
Calcular a eficiĂȘncia tĂ©rmica do sistema e a razĂŁo
Wc/Wt.
T1= 26ÂșC T4= 650ÂșC
T2= 160ÂșC T3= 800ÂșC
C=0,3023 kJ/kg.K
C=0,3283 kJ/kg.K
C=0,3198 kJ/kg.K
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 3:
={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100
RazĂŁo Wc/Wt = Wc/Wt
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 4:
Calcular a eficiĂȘncia tĂ©rmica do sistema, razĂŁo Wc/Wt e
a potencia desenvolvida pela turbina.
T1= 20ÂșC T4= 400ÂșC
T2= 120ÂșC T3= 650ÂșC
Fluxo = 3000 kg/h
C=0,3123 kJ/kg.K
C=0,3331 kJ/kg.K
C=0,3232 kJ/kg ÂșC
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 3:
={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100
RazĂŁo Wc/Wt = Wc/Wt
PotĂȘncia = Wt * Fluxo
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 5:
Calcular a eficiĂȘncia tĂ©rmica do sistema (Regenerativo),
razĂŁo Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.
T4= 470ÂșC
T3= 720ÂșC T2= 90ÂșC
T1= 22ÂșC
Fluxo = 2200 kg/h
Compressor Turbina
Trocador
de Calor
CĂąmara de
combustĂŁo
CombustĂvel
1
2
2â 3
4
W (
tra
ba
lho
)
Eixo
Entrada de ar
SaĂda de gases
T2â= 280ÂșC
* C em kJ/kg.K
C=0,3023
C=0,3083 C=0,3213
C=0,3183
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 5:
={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2â)} * 100
RazĂŁo Wc/Wt = Wc/Wt
PotĂȘncia = Wt * Fluxo
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 6:
Calcular a eficiĂȘncia tĂ©rmica do sistema e o consumo de
combustĂvel.
h1=119,1 KJ/kg
Fluxo = 25000 kg/h
PC gĂĄs = 15000 kcal/kg
gĂĄs = 1,3 kg/mÂł
h2=189,0 KJ/kg
h3=1737,0 KJ/kg
h4=1575,0 KJl/kg
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 6:
={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100
Consumo de CombustĂvel = (CC)
CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC
CC mÂł= kg/h / 1,3 kg/mÂł
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TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 7:
Calcular a eficiĂȘncia tĂ©rmica do sistema, razĂŁo Wc/Wt e
a potencia desenvolvida pela turbina.
T2= 97ÂșC
T1= 23ÂșC
Compressor Turbina 1
CĂąmara de
combustĂŁo
CombustĂvel
1
2
W (
tra
ba
lho
)
Eixo
Entrada de ar SaĂda de gases
Turbina 2
CĂąmara de
Reaquecimento
3
4 5
6 C=0,3123
T3= 890ÂșC
T4= 670ÂșC
C=0,3153
T5= 820ÂșC
C=0,3113
T6= 640ÂșC
* C em KJ/kg ÂșC
C=0,3023
C=0,3232 C=0,3213
TURBINAS A GĂS
EXERCĂCIO 7:
={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr)