Módulo 6 Ciclo Brayton Regeneração Reaquecimento

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Sistemas Fluidotérmicos
Ciclo Brayton
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
Ciclo Brayton com Regeneração
Profa. Dra. Simoni M. 
Gheno
Moran e Shapiro – Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 4ª ed. LTC, 2000
Ciclo Brayton com Regeneração
A temperatura de saída da turbina a gás é 
normalmente bem acima da temperatura 
ambiente. Consequentemente, o gás quente de 
saída da turbina tem potencial para uso 
(exergia) que seria irremediavelmente perdido 
se o gás fosse descarregado nas vizinhanças.
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Uma forma de utilizar essa energia é através do uso 
desse calor em um trocador de calor conhecido 
como regenerador o qual permite o 
preaquecimento do ar que deixa o compressor 
antes de ele entrar no combustor reduzindo dessa 
forma a quantidade de combustível que deve ser 
consumido.
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Ciclo Brayton com Regeneração
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Ciclo Brayton com Regeneração
O regenerador é um 
trocador de calor em 
contracorrente, através 
do qual o ar quente de 
escape da turbina e o ar 
mais frio que deixa o 
compressor circulam em 
direções opostas. 
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De forma ideal nenhuma perda de carga por atrito 
ocorre em quaisquer das correntes
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O gás de escape da turbina 
é resfriado do estado 4 ao 
estado Y, enquanto o ar 
que sai do compressor é 
aquecido do estado 2 ao 
estado X. 
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Ciclo Brayton com Regeneração
Assim a TC de uma fonte 
externa ao ciclo é necessária 
apenas para aumentar a 
temperatura do ar do estado 
X ao estado 3, ao invés do 
estado 2 ao 3 (caso sem 
regeneração).
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Ciclo Brayton com Regeneração
O calor adicionado por unidade de massa será dado pela 
equação:
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Ciclo Brayton com Regeneração
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O calor adicionado por unidade de massa será dado pela 
equação:
O trabalho líquido produzido por unidade de vazão em 
massa não é alterado pela inclusão de um regenerador. 
Logo, já que o calor adicionado é reduzido, a eficiência 
térmica aumenta.
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Ciclo Brayton com Regeneração
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Efetividade do regenerador:
A TC externa requerida por uma 
instalação de potência a gás 
diminui a medida que a 
temperatura Tx aumenta (entalpia 
específica hx aumenta)
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Ciclo Brayton com Regeneração
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Efetividade do regenerador:
Evidentemente existe um 
incentivo em termos de economia 
de combustível para selecionar o 
regenerador que forneça o 
máximo valor teórico de Tx (e o 
máximo valor de Tx seria o valor 
da temperatura na saída da 
turbina, ou seja T4 – processo 
reversível).
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Efetividade do regenerador:
A medida que a transferência de 
calor se aproxima da situação 
reversível, hx se aproxima de h4 e, 
reg tende a 1 (100%).
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Ciclo Brayton com Regeneração
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Efetividade do regenerador:
Na prática valores típicos de 
efetividade do regenerador estão 
entre 60 a 80%, e assim, a 
temperatura Tx (ar que deixa o 
compressor e passa pelo 
regenerador) está normalmente 
abaixo da temperatura de saída da 
turbina.
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Ciclo Brayton com Regeneração
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Efetividade do regenerador:
• Um aumento da temperatura acima desta faixa pode 
resultar em custos de equipamento que cancelam a 
vantagem devido à economia de combustível. 
• A maior área de TC que seria necessária para maior 
eficiência pode resultar em perda de carga por atrito 
significativa para o escoamento através do regenerador, 
afetando dessa forma o desempenho global. 
• A decisão de adicionar um regenerador é influenciada 
por considerações como essas e, a decisão final é 
primordialmente econômica.
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Ciclo Brayton com Regeneração
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Exemplo 1
Ar entra em um compressor de um ciclo ar-padrão Brayton a 
100kPa e 300K, com uma vazão volumétrica de 5m3/s. A 
relação de compressão do compressor é 10. A temperatura de 
entrada na turbina é 1400K. Um regenerador é incorporado ao 
ciclo. Determine
(a) eficiência térmica para a efetividade do regenerador de 80%
(b) faça um gráfico da eficiência térmica versus efetividade do 
regenerador na faixa de 0 a 80%
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Exemplo 1
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Exemplo 1
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Resolução:
Usaremos as entalpias específicas do exemplo 1 (aula de Ciclo 
Brayton Ideal).
h1=300,19kJ/Kg 
h2=579,89kJ/Kg
h3=1515,4kJ/Kg
h4=808,5kJ/Kg 
Precisamos determinar a entalpia específica hx do regenerador.
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Exemplo 1
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Exemplo 1
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Exercício 1
Um compressor de um ciclo Brayton admite ar a 100kPa, 
300k e vazão volumétrica de 5m3/s. A temperatura de 
entrada da turbina é 1400K. Considere taxas de 
compressão de 2 a 20. Para esse problema, desenvolva 
cálculos para eficiências isentrópicas tanto na turbina e 
compressor de 90, 80 e 70%. Inclua nesse processo um 
regenerador com eficiência de 80%.
Determine:
(a) esboce graficamente a eficiência térmica
(b) razão de trabalho reversa
(c) potência líquida desenvolvida
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Exercício 2
Ar entra em um compressor de uma turbina a gás simples a 
p1=100kPa, T1=290K. As eficiências isentrópicas do compressor 
e da turbina são, respectivamente, 83 e 87%. A taxa de 
compressão é 14 e a temperatura na entrada da turbina é 
1400K. A potência líquida desenvolvida é 1,5MW. Tomando 
como base uma análise de ar-padrão, calcule:
(a) vazão volumétrica na entrada do compressor
(b) Temperaturas nas saídas do compressor e da turbina, em oR
Supondo que nesse circuito seja incluido um regenerador com 
eficiências que podem variar de 0a 100%.
(c) eficiência térmica
(d) decréscimo percentual de adição de calor.
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Turbinas a gás 
regenerativas com 
reaquecimento e 
inter-resfriamento
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Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
Duas modificações nas turbinas a gás aumentam o trabalho 
líquido :
- expansão em múltiplos estágios com reaquecimento
- compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento
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Estas modificações 
combinadas podem 
resultar em aumentos 
substanciais da 
eficiência térmica.
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
TURBINAS A GÁS COM REAQUECIMENTO
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Por razões metalúrgicas a temperatura dos gases da 
combustão que entram na turbina deve ser limitada. 
Essa temperatura pode ser 
controlada fornecendo-se ar em 
quantidades acima da necessária 
para a queima de combustível no 
combustor. 
Dessa forma, os gases que deixam o combustor contém ar 
suficiente para suportar a combustão de combustível 
adicional. 
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
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Algumas instalações de potência a gás tiram vantagem do 
excesso de ar por intermédio de uma turbina de múltiplos 
estágios com um COMBUSTOR COM REAQUECIMENTO ente os 
estágios - permite aumento do trabalho líquido por unidade 
de massa escoando.
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reaquecimento e inter-resfriamento
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Após a expansão do estado 3 para a 1a turbina, o gás é 
reaquecido a pressão constante do estado a para o estado b. 
O processo de expansão é então completado pela passagem 
na 2a turbina do estado b ao estado 4.
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reaquecimento e inter-resfriamento
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O trabalho total da turbina de 2 estágios é maior do que aquele 
com uma única expansão. Logo, o trabalho líquido do ciclo com 
reaquecimento é maior do que aquele sem reaquecimento.
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reaquecimento e inter-resfriamento
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Apesar do aumento do trabalho líquido com o processo de 
reaquecimento, a eficiência térmica do ciclo 
não necessariamente aumentaria porque seria exigida 
uma maior adição de calor total. 
Porém:
✓ Tsaída da turbina é maior com reaquecimento do que sem 
este
Portanto:
✓ potencial para regeneração é aumentado.
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reaquecimento e inter-resfriamento
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reaquecimento e inter-resfriamento
COMPRESSÃO COM INTER-RESFRIAMENTO
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O trabalho líquido produzido por uma turbina a gás 
também pode ser aumentado reduzindo-se o trabalho 
fornecido ao compressor. 
Isso pode ser obtido através da 
compressão em múltiplos 
estágios com inter-resfriamento.
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Gheno
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
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O processo de compressão com inter-resfriamento é 
uma alternativa prática que permite separar as 
interações de trabalho e calor em processos distintos.
Permite que a 
compressão ocorra em 
estágios com trocadores 
de calor (inter-
resfriadores), que 
resfriam o gás entre os 
estágios.
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Gheno
Processo 1-c
representa a 
compressão 
isentrópicas do estado 
1 para o estado c (Pi)
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Gheno
Processo c-d
gás é resfriado a 
pressão constante da 
temperatura Tc para a 
temperatura Td
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Gheno
Processo d-2
compressão 
isentrópica até o 
estado 2
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Gheno
Inter-resfriamento
área sombreada 1-c-
d-2-a-b-1: representa 
o trabalho fornecido 
por unidade de 
vazão.
Sem inter-
resfriamento: 
Área 1-2'-a-b-1: 
representa o trabalho 
fornecido por unidade 
de vazão. 
A área em verde 
representa a redução 
do trabalho que seria 
obtida com o inter-
resfriamento.
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Gheno
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
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Alguns compressores grandes possuem vários estágios 
de compressão com inter-resfriamento entre estágios.
A determinação do número de estágios e as condições 
de operação dos vários estágios inter-resfriadores são 
um problema de otimização.
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Gheno
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
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O uso da compressão em múltiplos estágios com inter-
resfriamento em uma instalação de potência a gás 
aumenta o trabalho líquido produzido através da 
redução do trabalho de compressão. 
Porém, a inserção da compressão ou do inter-
resfriamento isoladamente não aumentaria a eficiência 
térmica de uma turbina a gás porque a temperatura de 
admissão do ar no combustor seria reduzida. 
Por que?
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Gheno
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
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Uma temperatura mais baixa na entrada do combustor (2) 
exigirá TC adicional para atingir a temperatura da entrada 
desejada na turbina. 
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Gheno
Turbinas a gás regenerativas com 
reaquecimento e inter-resfriamento
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No entanto, a temperatura mais baixa na saída do 
compressor (2) aumenta o potencial de regeneração, de 
forma que, quando o inter-resfriamento é usado em conjunto 
com a regeneração, pode resultar em um aumento 
apreciável da eficiência térmica.
Exemplo 1
Um compressor de um ciclo ideal ar-padrão Brayton admite ar 
a 100kPa e 300K, a 5m3/s e é comprimido até 1000kPa. Esse 
processo envolve reaquecimento e regeneração. A temperatura 
na entrada do 1º estágio da turbina é 1400K. A expansão 
ocorre isentrópicamente em 2 estágios, com reaquecimento 
até 1400K, entre os estágios, com pressão constate de 300kPa. 
Um regenerador com eficiência de 100% é incorporado ao 
ciclo. Determine a eficiência térmica.
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Exemplo 1
Gráfico do processo
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Exemplo 1
Resolução: 
h1=300.19 kJ/kg, h2=579.9 kJ/kg, h3=1515.4 kJ/kg. A 
temperatura do estado b é a mesma do estado 3, logo hb=h3.
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De onde:
Exemplo 1
O estado 4 pode ser então determinado:
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De onde:
Como a eficiência do regenerador é 100%, 
hx=h4=1127,6kJ/Kg
Exemplo 1
Podemos então calcular a eficiência térmica:
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Exemplo 2
Ar é comprimido de 100kPa e 300 K para 1000 kPa em um 
compressor de 2 estágios com inter-resfriamento. A pressão do 
processode inter-resfriamento é 300kPa. O ar é resfriado
novamente a 300 K no inter-resfriador antes de entrar no 2o 
estágio do compressor. Cada estágio do compressor é isentrópico. 
Para operação em regime permanente considerando desprezíveis
variações de energia cinética e potencial, determine: (a) 
Temperatura de saída do 2o estágio (b) trabalho total fornecido
ao compressor por unidade de fluxo de massa.
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Exemplo 2
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Exemplo 2
(a) A temperature de saída do 2o estágio do compressor, T2, 
pode ser encontrada usando-se a relação do processo 
isentrópico d–2
Profa. Dra. Simoni M. Gheno
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Com Prd em Td=300 K a partir da Tabela Termodinâmica , 
P2=1000 kPa, e Pd= 300 kPa
A partir da Tabela Termodinâmica, obtemos T2=422K e 
h2=423,8kJ/kg
Exemplo 2
(b) trabalho total fornecido ao compressor por unidade de 
fluxo de massa será calculado por:
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A partir da Tabela Termodinâmica T1=300 K, h1=300.19 kJ/kg. 
Como Td =T1, hd=300.19 kJ/kg. Para encontrar hc, use os
dados de Pr a partir das Tabelas junto com P1=100 kPa e 
Pc=300 kPa como segue:
Exemplo 2
Utilizando as Tabelas, obtemos então hc=411.3kJ/kg. Logo, 
o trabalho total do compressor por unidade de massa será:
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