Capítulo 9 resumo shapiro

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Capítulo 9
Sistemas de Potência a Gás
Considerações sobre Usinas de Turbinas a Gás (1 de 5)
As usinas de potência a gás são mais rapidamente construídas, menos caras e mais compactas do que as usinas a vapor.
As turbinas a gás são adequadas para a geração de energia permanente, bem como para fornecer energia a veículos, incluindo propulsão de aeronaves e usinas marítimas.
Turbinas a gás são cada vez mais usadas para a geração de energia em larga escala. Tais turbinas, alimentadas principalmente por gás natural, são relativamente abundantes hoje.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Considerações sobre Usinas de Turbinas a Gás (2 de 5)
As turbinas a gás podem operar em uma base aberta ou fechada, como mostrado nas figuras.
A turbina a gás aberta é mais utilizada e é o foco principal do nosso estudo.
O estudo dos componentes individuais dessas configurações requer as formas de volume de controle dos balanços de massa, energia e entropia.
Aberta para a atmosfera
Fechada
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Considerações sobre Usinas de Turbinas a Gás (3 de 5)
A turbina a gás que opera no modo aberto é uma usina de combustão interna.
O ar é entra continuamente no compressor onde é comprimido até uma alta pressão.
Produtos de combustão saem com temperatura e pressão elevadas. 
Os produtos de combustão se expandem através da turbina e, em seguida, são descarregados para vizinhança.
O ar entra na câmara de combustão (combustor), onde se mistura com o combustível e ocorre a combustão.
O restante está disponível como trabalho líquido de saída para acionar um gerador elétrico, impulsionar um veículo ou para outros usos.
Parte do trabalho da turbina é usado para acionar o compressor.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Considerações sobre Usinas de Turbinas a Gás (4 de 5)
A turbina a gás fechada opera da seguinte forma:
Um gás circula por quatro componentes: turbina, compressor e dois trocadores de calor, um de temperatura de operação alta e outro de temperatura mais baixa.
A turbina e o compressor desempenham os mesmos papéis da turbina a gás aberta.
À medida que o gás passa pelo trocador de calor de temperatura mais alta, ele recebe energia por transferência de calor de uma fonte externa.
O ciclo termodinâmico é concluído pela transferência de calor para vizinhança à medida que o gás passa pelo trocador de calor de baixa temperatura.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Considerações sobre Usinas de Turbinas a Gás (5 de 5)
A transferência de calor, associada ao trocador de calor de maior temperatura da turbina a gás fechada tem, origem em uma fonte externa que pode incluir:
Combustão externa de biomassa, resíduos sólidos, combustíveis fósseis como gás natural e outros combustíveis.
Resíduos de calor de processos industriais.
Energia solar.
Um reator nuclear refrigerado a gás.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Para realizar análises elementares de usinas de turbinas a gás abertas são necessárias simplificações. Embora altamente idealizada, uma análise de ar padrão pode fornecer informações qualitativas sobre o desempenho real.
Uma análise de ar padrão tem as seguintes simplificações:
O fluido de trabalho é o ar que se comporta como um gás ideal.
O aumento da temperatura que seria provocado pela combustão é realizado pela transferência de calor de uma fonte externa.
Com uma análise padrão ar, evitamos as complexidades do processo de combustão e a mudança na composição durante a combustão, o que simplifica consideravelmente a análise. 
Em uma análise padrão de ar frio, os calores específicos são assumidos constantes e seus valores avaliados a temperatura ambiente.
Análise de Ar-Padrão de Usinas de Turbinas a Gás Abertas
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Ciclo de Ar-Padrão Brayton (1 de 6)
O esquema simples de usina de turbina a gás padrão aberta ao ar livre é mostrado na figura.
As transferências de energia por calor e trabalho estão nas direções das flechas.
O ar circula pelos componentes:
Processo 1-2: o ar é comprimido do estado 1 para o estado 2.
Processo 2-3: O aumento de temperatura que seria alcançada na usina real com combustão é realizado aqui pela transferência de calor, 
No estado 1, o ar da vizinhança é succionado pelo compressor.
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Ciclo de Ar-Padrão Brayton (2 de 6)
O ar retorna para vizinhança no estado 4 com uma temperatura tipicamente muito maior do que no estado 1.
Após interagir com a vizinhança, cada unidade de massa retorna à mesma condição que o ar que entra no estado 1, completando assim um ciclo termodinâmico.
Processo 3-4: O ar em alta pressão e alta temperatura se expande através da turbina. A turbina aciona o compressor e desenvolve a potência líquida,
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Ciclo de Ar-Padrão Brayton (3 de 6)
O ar retorna ao meio no estado 4 com uma temperatura tipicamente muito maior do que no estado 1.
Após interagir com o da meio, cada unidade de massa retorna à mesma condição que o ar que entra no estado 1, completando assim um ciclo termodinâmico.
Processo 3-4: O ar em alta pressão e alta temperatura se expande através da turbina do estado 3 para o estado 4. A turbina, que aciona o compressor, desenvolve potência líquida,
Imaginamos o processo 4-1 como sendo alcançado por um trocador de calor, como mostrado pela linha tracejada na figura.
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Ciclo de Ar-Padrão Brayton (4 de 6)
Ciclo 1-2-3-4-1 é chamado de ciclo Brayton.
A razão de pressão do compressor, p2/p1, é um parâmetro chave de operação do ciclo Brayton.
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Ciclo de Ar-Padrão Brayton (5 de 6)
Analisando cada componente como um volume de controle em regime permanente, assumindo que o compressor e a turbina operam adiabaticamente, e desprezando efeitos das energias cinética e potencial, obtém-se as seguintes expressões para os trabalhos e transferências de calor, que são positivas de acordo com nossa convenção para análise de ciclo.
Turbina
Compressor
(Eq. 9.15)
(Eq. 9.16)
(Eq. 9.17)
(Eq. 9.18)
Adição de calor
Rejeição de calor
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Ciclo de Ar-Padrão Brayton (6 de 6)
A eficiência térmica é
(Eq. 9.19)
A razão de trabalho reverso é
(Eq. 9.20)
Como as Eqs. 9.15 a 9.20 foram desenvolvidos a partir de balanços de massa e energia, elas são aplicadas igualmente tanto na presença quanto na ausência de irreversibilidades.
Nota: Uma parte relativamente grande do trabalho desenvolvido pela turbina é necessária para acionar o compressor. Para as turbinas a gás, as taxas de trabalho reverso variam de 20% a 80% em comparação com apenas 1 a 2% para usinas a vapor.
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Ciclo de Ar-Padrão Ideal Brayton (1 de 4)
O ciclo de ar-padrão ideal Brayton fornece um cenário especialmente simples para o estudo do desempenho da usina de turbina a gás. O ciclo ideal leva em conta as seguintes suposições para modelagem:
Quedas de pressão por atrito estão ausentes durante os fluxos através dos trocadores de calor. Esses processos ocorrem à pressão constante e, portanto, são isobáricos.
Os fluxos através da turbina e da bomba ocorrem adiabaticamente e sem irreversibilidadee, portanto, são isentrópicos.
Assim, o ciclo ideal de Brayton consiste em dois processos isentrópicos alternados com dois processos isobáricos. Nesse sentido, o ciclo ideal de Brayton está em harmonia com o ciclo de Rankine ideal, que também consiste em dois processos isentrópicos alternados com dois processos isobáricos.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Processo1-2: Compressão isentrópica do ar que flui através do compressor.
Processo 2-3: O calor se transfere para o ar à medida que flui à pressão constante através do trocador de calor de temperatura mais alta.
Ciclo de Ar-Padrão Ideal Brayton (2 de 4)
O ciclo de ar-padrão ideal Brayton consiste em quatro processos internamente reversíveis:
Processo 3-4: Expansão isentrópica do ar através da turbina.
Processo 4-1: O calor se transfere do ar à medida que flui à pressão constante através do trocador de calor de baixa temperatura.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Ciclo de Ar-Padrão Ideal Brayton (3 de 4)
Uma vez que o ciclo ideal de Brayton envolve processos internamente reversíveis, os resultados da Sec. 6.13 se aplicam.
No diagrama p-v, o trabalho por unidade de fluxo de massa é –∫vdp. Assim, em uma unidade de massa fluindo,
A área 1-2-a-b-1 representa a entrada de trabalho do compressor.
A área 3-4-b-a-3 representa trabalho total produzido pela turbina.
A área fechada 1-2-3-4-1 representa o trabalho líquido desenvolvido.
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A área 2-3-a-b-2 representa o calor adicionado.
A área 4-1-b-a-4 representa o calor rejeitado.
A área fechada 1-2-3-4-1 representa o calor líquido adicionado ou, de forma equivalente, o trabalho líquido desenvolvido.
Ciclo de Ar-Padrão Ideal Brayton (4 de 4)
No diagram T-s, a transferência de calor por unidade de massa é ∫Tds. Assim, por unidade de massa, 
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Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (1 de 7)
A razão de pressão do compressor, p2/p1, um importante parâmetro operacional para turbinas a gás, é apresentado pelas discussões a seguir tomando como base o diagrama T-s. 
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (2 de 7)
Aumentando a razão de pressão do compressor de p2/p1 a p2′/p1 o ciclo muda de 1-2-3-4-1 para 1-2′-3′-4-1.
Como a temperatura média da adição de calor é maior no ciclo 1-2′-3'-4-1, e ambos os ciclos têm o mesmo processo de rejeição de calor, o ciclo 1-2′-3′-4-1 tem maior eficiência térmica.
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Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (3 de 7)
Aumentando a razão de pressão do compressor de p2/p1 para p2′/p1 muda o ciclo de 1-2-3-4-1 para 1-2′-3′-4-1.
Como a temperatura média da adição de calor é maior no ciclo 1-2′-3'-4-1, e ambos os ciclos têm o mesmo processo de rejeição de calor, o ciclo 1-2′-3′-4-1 tem maior eficiência térmica.
Assim, a eficiência térmica do ciclo Brayton aumenta à medida que a relação de pressão do compressor aumenta.
60
hth (%)
2
4
6
8
10
Compressor
Pressure Ratio
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Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (4 de 7)
Aumentando a razão de pressão do compressor de p2/p1 para p2′/p1 muda o ciclo de 1-2-3-4-1 para 1-2′-3′-4-1.
Como a temperatura média da adição de calor é maior no ciclo 1-2′-3'-4-1, e ambos os ciclos têm o mesmo processo de rejeição de calor, o ciclo 1-2′-3′-4-1 tem maior eficiência térmica.
Assim, a eficiência térmica do ciclo Brayton aumenta à medida que a razão de pressão do compressor aumenta.
A temperatura da entrada da turbina também aumenta com o aumento da razão de compressão – de T3 a T3′.
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Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (5 de 7)
No entanto, há um limite na temperatura máxima na entrada da turbina imposta por considerações metalúrgicas das pás da turbina.
Vamos considerar o efeito do aumento da razão de pressão do compressor no desempenho do ciclo de Brayton quando a temperatura da entrada da turbina é mantida constante.
Isso é investigado usando o diagrama T-s como apresentado em seguida.
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Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (6 de 7)
A figura mostra os diagramas T-s de dois ciclos de Brayton ideais com a mesma temperatura de entrada da turbina, mas diferentes relações de pressão do compressor.
O ciclo A tem maior relação de pressão do compressor e, portanto, maior eficiência térmica.
O ciclo B tem a maior área fechada e, portanto, o maior trabalho líquido desenvolvido por unidade de fluxo de massa.
Para o Ciclo A desenvolver a mesma potência líquida do Ciclo B, seria necessária uma vazão mássica maior, o que poderia ditar um sistema maior.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Efeitos da Razão de Pressão do Compressor no Desempenho do Ciclo de Brayton (7 de 7)
Por conseguinte, para veículos movidos a turbina, onde o tamanho e o peso são limitados, pode ser desejável operar próximo à razão de pressão do compressor para o maior trabalho líquido por unidade de fluxo de massa e não à razão de pressão para maior eficiência térmica.
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Irreversibilidade na Usina de Turbina a Gás (1 de 3)
A irreversibilidade mais significativa, de longe, é a irreversibilidade da combustão. Esse tipo de irreversibilidade é considerado na Cap. 13, onde são desenvolvidos fundamentos de combustão.
Irreversibilidades relacionadas ao fluxo através da turbina e do compressor também impactam significativamente o desempenho da turbina a gás. Elas agem para:
diminuir o trabalho desenvolvido pela turbina,
aumentar o trabalho exigido pelo compressor, 
e, consequentemente, diminuir, o trabalho líquido da usina. 
Diminuição acentuada no trabalho líquido da usina
irreversibilidades diminuem
o trabalho da turbina
Irreversibilidades
 aumentam o trabalho do
 compressor
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Irreversibilidade na Usina de Turbina a Gás (2 de 3)
A eficiência da turbina isentrópica, leva em conta os efeitos das irreversibilidades dentro da turbina em termos de trabalho real e isentrópico da turbina, cada um por unidade de massa que flui através da turbina.
trabalho desenvolvido na expansão real do estado de entrada da turbina para a pressão de saída da turbina
trabalho desenvolvido em uma expansão isentrópica do estado de entrada de turbina para pressão
de saída da turbina
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Irreversibilidade na Usina de Turbina a Gás (3 de 3)
A eficiência isentrópica do compressor, leva em conta os efeitos das irreversibilidades dentro do compressor em termos de entrada de trabalho real e isentrópico do compressor, cada um por unidade de massa fluindo através do compressor.
trabalho de entrada para o processo real do estado de entrada do compressor para a pressão de saída do compressor
Trabalho de entrada para um processo isentrópico do estado de entrada do compressor para pressãode saída 
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Perdas em Usinas de Turbina a Gás
A temperatura do gás de escape de uma simples turbina a gás é tipicamente bem acima da temperatura ambiente. Assim, o gás de escape possui considerável utilidade termodinâmica (exergia) que será irrevogavelmente perdida se o gás for descarregado diretamente no ambiente.
As turbinas a gás regenerativa e os ciclos combinados à base de turbinas a gás visam evitar uma perda tão significativa usando o gás de escape quente de forma econômica.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
O regenerador permite que o ar que sai do compressor seja pré-aquecido, processo 2 - x, à medida que o gás de escape da turbina esfria, processo 4-y.
O pré-aquecimento reduz o calor adicionado por unidade de massa (e, portanto, a quantidade de combustível que deve ser queimada):
Turbinas a Gás Regenerativa
Os gases quente de exaustão da turbina podem ser utilizados em um pré-aquecedor chamado regenerador.
O trabalho líquido por unidade massa não é alterado com a inclusão de um regenerador. Assim, como o calor adicionado é reduzido, a eficiência térmica aumenta.
Com Regeneração
Sem Regeneração
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Como uma diferença de temperatura finita deve existir entre as duas correntes do regenerador para que a transferência de calor ocorra entre as correntes, a temperatura de saída do lado frio, Tx, deve ser menor do que o lado quente entrando, temperatura T4.
Eficiência do regenerador (1 de 3)
À medida que a diferença de temperatura de fluxo para fluxo se torna pequena, Tx se aproxima de T4, mas não pode excedê-la. Assim, Tx ≤ T4.
Como a entalpia do ar varia apenas com a temperatura, nós também temos hx ≤ h4.
T4
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
A eficiência do regenerador é definida como a razão do aumento da entalpia real do ar que flui pelo lado frio do regenerador, hx – h2, e o aumento teórico máximo de entalpia, h4 – h2.
Eficiência do Regenerador (2 de 3)
(Eq. 9.27)
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Na prática, os valores da eficiência do regenerador variam de 60 a 80%, aproximadamente. Assim, a temperatura Tx na entrada da câmara de combustão está invariavelmente abaixo da temperatura T4 na saída da turbina.
A seleção de um regenerador é em grande parte uma decisão econômica.
Eficiência do Regenerador (3 de 3)
Com a regeneração, menos combustível é consumido na combustão, mas um outro componente, o regenerador, é necessário.
Ao considerar o uso de um regenerador, a relação entre a economia de combustível e o custo regenerador deve ser ponderada.
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Uma modificação do ciclo de Brayton que aumenta o trabalho líquido desenvolvido é a expansão multi-estágio com reaquecimento.
A figura mostra um ciclo com dois estágios da turbina e um combustor de reaquecimento entre os estágios.
Turbinas a Gás com Reaquecimento e Regeneração (1 de 3)
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Turbinas a Gás com Reaquecimento e Regeneração (2 de 3)
Ciclo com reaquecimento
O ciclo ideal de Brayton com reaquecimento é 1-2-3-a-b-4-1. O ciclo ideal de Brayton sem reaquecimento é 1-2-3-4′-1.
O ciclo de reaquecimento tem uma área fechada maior do que o ciclo sem reaquecimento e, portanto, um trabalho líquido maior desenvolvido por unidade de massa, que é o objetivo.
Ciclo sem reaquecimento
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
A figura também mostra que a temperatura na saída da turbina de segundo estágio, estado 4, é maior do que na saída da turbina única do ciclo sem reaquecimento, estado 4 '. Consequentemente, com o reaquecimento, o potencial de regeneração também é aprimorado.
Quando o reaquecimento e a regeneração são usados em conjunto, a eficiência térmica pode aumentar significativamente em relação ao ciclo sem reaquecimento.
Turbinas a gás com Reaquecimento e Regeneração (3 de 3)
T4′
T4
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Outra modificação do ciclo de Brayton que aumenta o trabalho líquido desenvolvido é a compressão com inter-resfriamento.
A figura mostra dois estágios do compressor e um intercooler entre os estágios.
Turbinas a gás com Inter-refriamento e Regeneração (1 de 5)
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
O diagrama p-v ao lado mostra processos internamente reversíveis:
Turbinas a gás com Inter-refriamento e Regeneração (1 de 5)
Compressão isentrópica sem inter-resfriamento é representada pelo processo1-c-2′.
Processo 1-c. Compressão isentropica do estado 1, onde a pressão é p1, ao estado c, onde a pressão é pi.
Processo c-d. Resfriamento de pressão constante da temperatura Tc à temperatura Td.
Processo d-2. Compressão isentrópica para o estado 2, onde a pressão é p2.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Lembrando que para tais processos internamente reversíveis o trabalho de entrada por unidade de fluxo de massa é dada por ∫vdp, as seguintes interpretações de área se aplicam, cada uma por unidade de massa fluindo:
Turbinas a Gás com Inter-resfriamento e Regeneração (3 de 5)
Com o intercooling, a área 1-c-d-2-a-b-1 representa o trabalho de entrada.
Sem intercooling, a área 1-2′-a-b-1 representa o trabalho de entrada.
A área transversal c-d-2-2′-c representa a redução do trabalho alcançado com o intercooling.
Se o trabalho total da turbina permanecer o mesmo, a redução do trabalho compressor resulta em um aumento no trabalho líquido desenvolvido, que é o objetivo.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Enquanto a compressão com e sem intercooling leva o ar para a mesma pressão final, p2, a temperatura final com intercooling, T2, é menor do que a temperatura final sem intercooling, T2′.
Turbinas a gás com Inter-refriamento e Regeneração (4 de 5)
Comparando estados 2 e 2′ no diagrama T-s, T2 < T2′.
A temperatura mais baixa na saída do compressor com a intercooling aumenta o potencial de regeneração.
T2
T2′
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Turbinas a Gás com Intercooling e Regeneração (5 de 5)
Quando a compressão com o intercooling é usada em conjunto com a regeneração, a eficiência térmica pode aumentar significativamente em relação ao ciclo sem intercooling.
O diagrama T-s também mostra que a temperatura resfriamento Td na saída do intercooler não pode ser menor que T1, a temperatura do ar entrando no compressor proveniente da vizinhança:Td ≥ T1.
T1
Td
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Aqui é mostrada uma turbina a gás regenerativa que incorpora reaquecimento e inter-resfriamento.
Com essas modificações no ciclo básico de Brayton:
Turbina a Gás Regenerativa com Reaquecimento e Inter-resfriamento (1 de 3)
A produção líquida de 
trabalho é aumentada.
A eficiência térmica é aumentada.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Turbina a Gás Regenerativa com Reaquecimento e Inter-resfriamento (2 de 3)
Aplicando os balanços de massa e energia em regime permanente, obtemos as seguintes expressões, cada uma por unidade de fluxo de massa:
Trabalho total da turbina:
(h6 – h7) + (h8 – h9)
= ht1(h6– h7s) + ht2(h8 – h9s)
=
Onde ht1 e ht2 denotam as eficiências isentrópicas das turbinas 1 e 2, respectivamente.
Trabalho total do compressor:
(h2 – h1) + (h4 – h3)
= (h2s – h1)/hc1 + (h4s – h3)/hc2
=
Onde hc1 e hc2 denotam as eficiências isentrópicas dos compressores 1 e 2, respectivamente.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Turbina a Gás Regenerativa com Reaquecimento e Inter-resfriamento (3 de 3)
Aplicando os balanços de massa e energia em regime permanente, obtemos as seguintes expressões, cada uma por unidade de fluxo de massa:
Calor total adicionado:
(h6 – h5) + (h8 – h7)
=
Nesta aplicação, a eficiência do regenerador é:
(h5 – h4)/(h9 – h4)
hreg =
Para o resfriamento para meio, a temperatura na saída do intercooler, T3, não pode ser menor do que a temperatura do ar entrando no compressor da vizinhança: T3 ≥ T1.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Ciclos Ericsson e Stirling
Ciclos Ericsson
Ciclo fechado de turbina a gás regenerativo ideal com vários estágios de compressão e expansão e um regenerador cuja efetividade é de 100%.
Número infinito de estágios de reaquecimento e inter-resfriamento
QH
QC
QH
QC
Regenerador
Ciclos Stirling
Consiste em quatro processos internamente reversíveis em série: compressão isotérmica, do estado 1 até o estado 2 à temperatura TC, aquecimento a volume constante, do estado 2 até o estado 3, expansão isotérmica, do estado 3 até o estado 4 à temperatura TH e resfriamento a volume constante, do estado 4 até o estado 1, para completar o ciclo.
Um regenerador cuja efetividade é de 100% permite que o calor rejeitado durante o Processo 4-1 proporcione o calor fornecido no Processo 2-3.
QH
QC
A temperatura dos gases de exaustão de uma turbina a gás simples é muito maior que a da temperatura ambiente, e assim o gás quente que sai da turbina tem uma utilidade termodinâmica significativa (exergia) que pode ser usada de forma econômica.
As formas de utilizar esse potencial incluem:
O ciclo regenerativo previamente considerado.
Um ciclo combinado – ou seja, um ciclo que combina dois ciclos de potência de tal forma que a energia descarregada por transferência de calor do ciclo de temperatura mais alta é usada como uma fonte de calor para o ciclo de temperatura mais baixa.
Ciclo Combinado Baseado em Turbina a Gás
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Ciclo Combinado de Potência a Vapor e Turbina a Gás (1 de 2)
Mostra-se ao lado um ciclo combinado envolvendo ciclos de potência a gás e a vapor:
Os ciclos são combinados usando um gerador de vapor de recuperação de calor interconectado que serve como caldeira para o ciclo de potência de vapor.
O ciclo combinado tem a alta temperatura média de adição de calor da turbina a gás e a baixa temperatura média de rejeição de calor do ciclo de potência a vapor.
A eficiência térmica é maior do que qualquer ciclo teria individualmente.
Cada vez mais, usinas a gás combinadas estão sendo usadas em todo o mundo para geração de energia elétrica.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Ciclo Combinado de Potência a Vapor e Turbina a Gás (1 de 2)
A potência líquida desenvolvida pelo ciclo combinado é a soma da potência líquida desenvolvida por cada ciclo.
A eficiência térmica do ciclo combinado é a saída de energia líquida dividida pela taxa de adição de calor.
Para um gerador de vapor de recuperação de calor adiabático, os 
balanços massa e energia fornecem a seguinte relação envolvendo as taxas de fluxo de massa dos dois ciclos:
(Eq. 9.28)
(Eq. 9.29)
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Aquecimento Urbano com Ciclo Combinado
Alternativamente, o vapor que sai da turbina pode ser enviado diretamente para a comunidade enquanto seu condensado retorna à bomba, eliminando assim o condensador.
É mostrado aqui um ciclo combinado de potência de turbina a gas e vapor aplicado ao aquecimento urbano. As instalações de aquecimento urbano estão localizadas nas comunidades para fornecer vapor ou água quente juntamente com eletricidade para uso doméstico, comercial e industrial.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Devido à sua relação poder-peso favorável, as turbinas a gás são adequadas para a propulsão de aeronaves. O motor turbojato é comumente usado para este fim.
A figura fornece o esquema de um motor turbojato.
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (1 de 8)
Va
V5
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (2 de 8)
Va
V5
O aumento da velocidade da entrada do difusor, Va, para a saída do bico, V5, dá origem ao impulso desenvolvido pelo motor de acordo com a segunda lei de movimento de Newton (Eq. 9.31).
Em harmonia com a análise padrão do ar, assumimos que o ar modelado como um gás ideal flui através do motor mostrado no esquema e o aumento de temperatura que seria obtido com a combustão é obtido pela transferência de calor de uma fonte externa.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Va
V5
Se o ar flui através dos componentes do motor turbojato sem irreversibilidades, ele passa pelos cinco processos mostrados no diagrama T-s:
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (3 de 8)
Processo a-1: Ar em velocidade Va entra no difusor e desacelera isentropicamente, enquanto experimenta um aumento na pressão.
Processo 1-2: O ar experimenta um aumento adicional na pressão isentropicamente, devido ao trabalho feito pelo compressor.
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Va
V5
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (4 de 8)
Processo 2-3: A temperatura do ar aumenta a pressão constante à medida que recebe uma transferência de calor de uma fonte externa.
Processo 3-4: O ar de alta pressão e alta temperatura expande isentropicamente através da turbina, conduzindo o compressor.
Se o ar flui através dos componentes do motor turbojato sem irreversibilidades, ele passa pelos cinco processos mostrados no diagrama T-s:
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Va
V5
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (5 de 8)
Processo 4-5: O ar continua a expandir-se isentropicamente através do bocal, alcançando uma velocidade, V5, na saída do motor, muito maior do que a velocidade, Va, na entrada do motor, e desenvolvendo assim o impulso.
Se o ar flui através dos componentes do motor turbojato sem irreversibilidades, ele passa pelos cinco processos mostrados no diagrama T-s:
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Se a mudança de energia potencial da entrada para a saída for insignificante, o termo g(zi – ze) é ignorado.
Se a transferência de calor com o ambiente for insignificante, o termo é ignorado.
Revisão: Modelagem de Bocal e Difusor
►
O balanço de energia para uma entrada e uma saída em regime permanente fornece:
Para um volume de controle que inclua um bocal ou difusor,
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Para o difusor, i = a e e = 1. Então,
O balanço de energia aplicado ao difusor assume a forma:
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (6 de 8)
ha
Va
h1
V1 ≈ 0
a
1
Uma vez que a velocidade de saída é insignificante, o balanço de energia se reduz a:
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
O balanço de energia aplicado ao bocaltoma a forma:
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (7 de 8)
h4
V4 ≈ 0
4
5
h5
V5
Para o bocal, i = 4 e e = 5. Então,
Uma vez que a velocidade da entrada é insignificante, o balanço de energia reduz para
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
Uma vez que as expressões finais obtidas para o difusor e o bocal são deduzidas dos balanços de massa e energia, elas se aplicam igualmente quando existem ou não irreveribilidades.
Turbinas a Gás Para Propulsão de Aeronaves (8 de 8)
Fonte: Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Moran, Shapiro, Boettner and Bailey, 9th, Wiley, 2018 
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