Turbina gas ciclos

descrição dos ciclos de combustão e geração de energia

1. Ciclo Brayton
•
Outro ciclo de ar frio
•
Utilizado em modelos de turbojatos.

2. Ciclo Brayton
Proposto por George Brayton em 1870!
http://www.pwc.ca/en_markets/demonstration.html http://www.pwc.ca/en_markets/demonstration.html

3. Outras aplicações do
ciclo Brayton
•
Geração de potência elétrica: o uso de
turbinas a gás é muito eficiente
•
Engenharia naval (grandes embarcações)

4. Ciclo padrão a ar
•
Modelo simplificado para análise
•
Assume que fluido de trabalho passa por ciclo
termodinâmico
•
Evita-se complexidade da combustão

5. Ciclo padrão a ar
•
Características:
–
Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo
•
Considerado gás ideal
–
Não há entrada e saída de ar
•
Ar segue circuito fechado
–
Combustão é substituída por aquecimento proveniente
de fonte externa
–
Exaustão do ar é substituída por um resfriamento rá pido
–
Todos os processos são internamente reverssíveis
–
Calor especif. Ar = cte

6. Um ciclo aberto com
turbina a gás

7. Um ciclo fechado com
turbina a gás

8. Ciclo Brayton Ciclo Brayton
•
Modelo para aplicações de turbinas a
gás
•
4 processos internamente reversíveis:
–
Compressão isentrópica
–
Adição de calor a pressão constante
–
Expansão isentrópica
–
Rejeição de calor a pressão constante

9. Diagramas P-v e T-s para um
ciclo Brayton ideal

10. Diagrama T-s para o cilo ideal de
um turbojato

11. Ciclo Brayton
•1 a 2
compressão isentrópica em um
compressor
•2 a 3
adição de calor a pressão constante
•3 a 4
expansão isentrópica em uma turbina
•4 a 1
rejeição de calor a pressão constante

12. Diagramas P-v e T-s para um
ciclo Brayton ideal

13. Ciclo Brayton
•
O ciclo Brayton opera entre 2 linhas de pressão
constante (isobáricas), logo a razão das pressões
é
importante
•
A razão das pressões não
é a taxa de compressão
•
Diferente de motores alternativos:
–
O Ar não permanece no mesmo lugar
•
O Ar circula
–
Ao se analisar cada componente => volume de
controle

14. Processos
•
Para análise “Ar Frio” e considerando ∆KE=∆PE=0
Q
ent
m
=
Q
3 2
m
=∆
h
=
c
p
(
T
3

T
2
)

Q
sai
m
=
Q
1 4
m
=∆
h
=
c
p
(
T
1

T
4
)

W
comp
m
=
W
2 1
m
=∆
h
=
c
p
(
T
1

T
2
)
W
turb
m
=
W
4 3
m
=∆
h
=
c
p
(
T
3

T
4
)

15. T
2
T
1
=

P
2
P
1

k

1
k
;
T
4
T
3
=

P
4
P
3

k

1
k
=

P
1
P
2

k

1
k
Na compressão e na expansão: s=cte
E define-se
r
p
=
pressure ratio
=
P
2
P
1
=
P
3
P
4
Processos

16. η=
˙
W
t
˙
W
c
˙
Q
ent
=
1

C
p
(
T
4

T
1
)
C
p
(
T
3

T
2
)
η=
1

T
1
T
2
(
T
4
/
T
1

1
)
(
T
3
/
T
2

1
)
Eficiência térmica
η=
1

T
1
T
2
=
1

1
r
p
(
k

1
)
/
k

17. Ciclo Brayton
•
O importante aqui é a razão entre as
pressões •
A razão entre as pressões é apenas... uma
razão entre as pressões •
A taxa de compressão
é uma taxa de
volumes (ciclo Otto).

18. Eficiência térmica do ciclo
Brayton
Eficiência térmica do ciclo
Brayton
•
Com a
hipótese de ar frio:
onde r
p
= P
max
/P
min
é ta razão de pressões e k é
a razão de calores específicos. A eficiência
térmica de um ciclo Brayton simples aumenta
com a razão da pressões

19. Ciclo Brayton

η
=
1

1
r
p(
k

1
)/
k
k = 1.4

20. Eficiência térmica de um ciclo
Brayton ideal

21. Rendimento Máximo -> Rendimento de Carnot
η
máx
=
η
Carnot
=
1

373 1273
=
0,71
Ciclo Brayton
η
=
1


P
2
P
1

γ

1
γ
Conhecer Pressões

22. OBS: útil nos cálculos
•
Razão entre as pressões
•
e
P
2
P
1
=

P
2
P
1

s
=
P
r
2
P
r
1
P
3
P
4
=

P
3
P
4

s
=
P
r
3
P
r
4
=
P
2
P
1
P
r
=
exp
[
s
o
(
T
)/
R
]

23. Eficiências: comparativo
•
Existe limite para T
max
(T
3
= 1700K)
–
materiais

24. Efeitos das irreversibilidades
•
Potência da turbina diminui
•
Potência do compressor aumenta

25. Efeitos das irreversibilidades
•
Eficiência isentrópica da Turbina
•
Eficiência isentrópica do compressor
•
Em geral, elas etão entre 80% e 90%
η
t=
˙
W
t
/˙
m
(˙
W
t
/˙
m
)
s
=
h
3

h
4
h
3

h
4
s
η
c
=
(
˙
W
c
/˙
m
)
s
˙
W
c
/˙
m
=
h
2s

h
1
h
2

h
1

26. Ciclo Brayton regenerativo

27. Ciclo Brayton regenerativo com resfriamento interme diário
e reaquecimento