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Sistemas Termicos_Tgas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
SISTEMAS TÉRMICOS
Prof. Luís Antônio Bortolaia
UNIDADE 5
TURBINAS E CENTRAIS A GÁS
TURBINAS A GÁS Introdução
1. INTRODUÇÃO
As turbinas a gás (TG) são turbomáquinas (máquinas rotativas) que,
de um modo geral, pertencem ao grupo de motores de combustão,
com faixa de operação desde pequenas potências (1 MW ou menos)
até 300 MW (ou mais). A figura 1 mostra os fabricantes e a sua faixa
de operação (potência) das turbinas a gás.
Principais vantagens:Principais vantagens:
� são relativamente pequenas em dimensão;
� têm pouco peso e apresentam um funcionamento suave (sem
oscilações);
� não existem movimentos intermitentes como nos motores de
combustão interna (funcionamento contínuo).
TURBINAS A GÁS Introdução
Figura 1. Fabricantes e faixa de operação de turbinas a gás
Fonte: Fundação Getúlio
Vargas, 2003, apud
Soares , 2011.
TURBINAS A GÁS Introdução
Turbina a gás:
Denomina-se Turbina a Gás (TG) o conjunto completo do motor ou
a instalação da mesma que é composta dos seguintes componentes
principais:
� compressor: responsável pela elevação de pressão;
� aquecedor do fluido de trabalho (geralmente a câmara de� aquecedor do fluido de trabalho (geralmente a câmara de
combustão): responsável pela energia de entrada da turbina;
� turbina, propriamente dita: elemento responsável pela expansão
dos gases.
A turbina é a única parte do sistema em que o fluido de trabalho
sofre a expansão, e produz trabalho mecânico.
TURBINAS A GÁS Introdução
As turbomáquinas são máquinas nas quais o fluido de trabalho se
desloca continuamente em um sistema rotativo de pás (rotor),
fornecendo ou absorvendo a energia, deste rotor, conforme seja
turbina ou compressor respectivamente.
Comparação entre um motor de
combustão interna e turbina a gás.
TURBINAS A GÁS Introdução
A construção das turbinas a gás (ciclos de operação) pode ser
realizada da seguinte forma:
� Instalação de potência com sistema gerador de calor próprio
através da queima de combustível em uma câmara de
combustão: denominada de ciclo aberto (com geração interna
de calor);
� Instalação de potência com introdução de calor independente� Instalação de potência com introdução de calor independente
(direto ou de rejeição) através de um trocador de calor:
denominada de ciclo fechado (geração externa de calor).
TURBINAS A GÁS Introdução
Ciclo aberto Ciclo fechado
TURBINAS A GÁS Introdução
Campo de aplicação:
É o mais variado e mais amplo entre os diversos tipos de motores.
� elemento propulsor para navios, aviões;
� acionador de estações “booster” de bombeamento (oleodutos e
gasodutos);
� geração de eletricidade.� geração de eletricidade.
TURBINAS A GÁS Introdução
Fatores de distinção entre as turbinas a gás, utilizadas na propulsão
aérea, e as turbinas para utilização industrial:
� a vida útil numa planta industrial é da ordem de 100.000 horas.
Não se espera que uma turbina de avião tenha tamanha duração.
� limitações de tamanho e peso em uma aeronave são muito mais
importantes do que no caso de aplicações industriais.importantes do que no caso de aplicações industriais.
� as turbinas de aeronaves fazem uso da energia cinética dos gases
que deixam a turbina, o que é um desperdício nas turbinas
industriais e devendo ser mantida tão baixa quanto possível.
TURBINAS A GÁS Introdução
Comparação entre várias tecnologias de geração de energia
Fonte: BOYCE, 2002, apud Soares, 2011. 
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
2. TURBINAS A GÁS: CONSTRUÇÃO E PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO
Ênfase maior: turbinas a gás para geração de energia (finalidade de
acionamento).
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Para descrição da operação, consideremos uma instalação típica
para geração de energia elétrica mostrada nas duas figuras a
seguir.
Por meio de um compressor, o ar é comprimido (tem a sua pressão
elevada) e conduzido a uma câmara de combustão, onde é
introduzido o combustível (que pode ser gasoso ou líquido; ou
mesmo sólido), que é queimado sob uma condição de pressãomesmo sólido), que é queimado sob uma condição de pressão
constante, em um processo de queima contínuo, aumentando a
temperatura dos gases e introduzindo, dessa forma, a energia
primária no sistema.
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Os gases de combustão expandem-se na turbina, que transforma
a energia contida nos gases em energia mecânica. Esta energia
mecânica deverá ser maior do que a energia necessária para o
acionamento do compressor. Esta diferença de energia (produzida
pela turbina e consumida para o acionamento do compressor) é a
energia mecânica efetiva disponível.
Como primeira aproximação podemos considerar os valoresComo primeira aproximação podemos considerar os valores
indicativos para a distribuição de potência entre os diversos
componentes da instalação como sendo: Pt : Pc : Pef = 3:2:1.
Onde:
Pt - potência da turbina (potência produzida ou total);
Pc - potência do compressor (potência necessária à compressão);
Pef – potência efetiva da turbina (potência disponível ou líquida).
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Pt : Pc : Pef = 3:2:1 
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Esquema de uma turbina a gás industrial simples
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
A maior ou menor introdução de calor produz maior ou menor,
respectivamente, potência efetiva.
Dessa forma, um aumento muito grande de calor (introdução de
combustível) resultará em um aumento de potência, sendo
evidente que para uma dada vazão de ar, existe um limite para a
proporção de introdução de combustível.
A máxima relação combustível/ar que pode ser usada é
determinada pela temperatura de trabalho das pás da turbina,
que trabalham em condições de alto tensionamento (altos
esforços aerodinâmicos e mecânicos; alta rotação; e temperatura
constante).
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Esta temperatura não poderá ultrapassar determinado valor
crítico. Este valor, depende por sua vez, da tensão de “creep”
(fluência) do material usado na construção da turbina, bem como
de sua vida útil desejada.
Logo, existem dois fatores que afetam o desempenho da turbina a
gás:
� eficiência (rendimento) dos componentes;� eficiência (rendimento) dos componentes;
� temperatura de trabalho das turbinas.
Quanto mais elevados forem os valores da eficiência dos
componentes e da temperatura de trabalho, melhor será o
desempenho da instalação.
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Eficiências máximas: o limite de Carnot
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Fonte: BOYCE, 2002, apud Soares, 2011. 
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Turbina GT10 da ALSTOM
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
TURBINAS A GÁS Construção e princípio de operação 
Eficiência térmica em função da razão de pressão e da Temperatura de Entrada da
Turbina (eficiência do compressor de 87% e eficiência da turbina de 92%).
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINAS INDUSTRIAIS
3. TURBINAS A GÁS: TIPOS E APLICAÇÕES
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINAS INDUSTRIAIS
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA MARÍTIMA
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
USINA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TURBINA A GÁS
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
Corte transversal e 
longitudinal de uma turbina 
a gás industrial (56 MW –
KWU)
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINAS AERONÁUTICAS: princípio 
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
CAMPO DE APLICAÇÃOTURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA TURBINA AERONÁUTICA -- TURBOHÉLICETURBOHÉLICE
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOHÉLICE
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOHÉLICE
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOFAN
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOFAN
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
Turbina General Electric GE90: a versão GE90-115B do Boeing 777
possui o diâmetro de 3.25 m e 58 toneladas de empuxo.
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOFAN
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOFAN
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOJET
TURBINAS A GÁS Tipos e Aplicações
TURBINA AERONÁUTICA - TURBOJET
TURBOJET COM AFTERBURNER
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
4. COMPONENTES PRINCIPAIS
A turbina a gás possui quatro componentes principais:
• Compressor;
• Câmara de combustão;
• Turbina;
• Eixo.Eixo.
Outras partes: bocal de admissão (Inlet), bocal de escape (Nozzle), e
nas turbinas aeronáuticas militares o pós-queimador (Afterburner)
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais 
Compressor (turbocompressores):
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
4.1 COMPRESSORES (TURBOCOMPRESSORES):
DOIS TIPOS (conforme a direção do escoamento de saída em
relação ao eixo de rotação):
• Radial ou Centrífugo;
• Axial.
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
COMPONENTES BÁSICOS: 
ROTOR: composto por pás rotativas. Transfere energia
(potência) mecânica para o ar em forma de potência hidráulica.
DIFUSOR: sistema de pás fixas (basicamente passagens
divergentes que desaceleram o ar, aumentando sua pressão).divergentes que desaceleram o ar, aumentando sua pressão).
CARCAÇA: onde é montado o conjunto. 
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Compressor radial (ou centrífugo)
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Compressor radial (ou centrífugo)
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Compressor axial
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Compressor axial
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Componentes de um compressor centrífugo de aviação
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Detalhes construtivos de um compressor axial
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
COMPRESSORES RADIAIS:
Vantagens:
• compactas (compressão em um só estágio);
• mais resistentes;
• mais fácil construção.• mais fácil construção.
Desvantagens:
• rendimento mais baixo;
• alta relação de diâmetro (dificulta uso aeronáutico).
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
COMPRESSORES RADIAIS:
ROTOR:
• semi-aberto (ligas de metal-leve);
• duplos;
• normalmente um ou dois estágios.
Velocidade periférica: ~ 450 ... 500 m/s
Ângulo de pá na saída: 50 ....90°
Relação de pressão: estágio ~ 1,7 .... 3 ( ...5)
Vazão: 1 estágio <= 30 kg/s
2 estágios <= 60 kg/s 
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
COMPRESSORES AXIAIS:
Velocidade periférica: ~ 350 a 350 m/s
Velocidade na entrada: 180 a 210 m/s
N° de Mach correspondente: M = 0,54 a 0,63N° de Mach correspondente: M = 0,54 a 0,63
N° de Mach crítico: Mc ~ 0,7 a 0,85
Relação de pressão (estágio): 
geral: <= 1,30
normal: 1,1 a 1,2 
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS
COMPRESSORES AXIAIS:
Vazão
jato: 30 a 350 kg/s
turbo(fan) < 600 kg/s
central térmica TG < 1000 kg/s
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
COMPRESSORES AXIAIS:
Fixação das pás no cubo 
A – cauda de andorinha
B – laval
C – pinheiro
D – cabeça de martelo
E – suporte
F – cravada
G – cabeça de martelo
H – espiga
I – caída de andorinha
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
DESEMPENHO DOS COMPRESSORES
Depende de: velocidade de operação, vazão em massa e massa
específica.
Gráfico de desempenho típico
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
4.2 TURBINAS
DOIS TIPOS:
• RADIAL • RADIAL 
• AXIAL
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
� TURBINAS RADIAIS
Escoamento contra o efeito da força centrífuga > turbina
centrípeta (FLUXO: INJETOR , ROTOR)
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINA RADIAL
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
� TURBINA AXIAL
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Turbina axial
Compressor axial 
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Turbina axial
Compressor axial
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINA AXIAL
Métodos para resfriamento das pás
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Resfriamento por ar
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
4.3 CÂMARA DE COMBUSTÃO
• Sistema de combustão: não é passível de tratamento
puramente teórico. Conta com ensaios experimentais.
• Finalidade da câmara de combustão: aumentar a
temperatura (energia) dos gases e conduzi-los à turbina.
• Atualmente é a parte da turbina que mais está em
desenvolvimento : novos combustíveis.desenvolvimento : novos combustíveis.
• Aumentar a temperatura máxima de operação.
Tipos de câmara de combustão para ciclo aberto: tubular (can);
anular; tubo-anular (can-anular).
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
A câmara de combustão: é a parte da turbina a gás onde
acontece a combustão do combustível alimentado em conjunto
com uma grande quantidade de ar proveniente do compressor e
libera a energia fruto desta reação.
A quantidade de energia liberada sofre a limitação do material
de construção da turbina.
A despeito das várias diferenças de projetos, todas as câmaras de
combustão de turbina a gás têm 3 partes: uma zona de
recirculação, uma zona de queima e uma zona de diluição.
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Fonte: (BOYCE, 2002)
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Na zona de recirculação o combustível é preparado para uma
rápida combustão dentro da zona de queima.
No fim da zona de queima, todo o combustível deve ou deveria
estar totalmente convertido e a função da zona de diluição passa
a ser tão somente de misturar os gases quentes com o ar
comprimido provindo do compressor e com o ar de diluição, que
é necessário para baixar a temperatura da câmara.é necessário para baixar a temperatura da câmara.
Na zona de queima, os bicos injetores desenvolvem importante
papel de nebulizar o combustível e ao mesmo tempo diluí-lo na
câmara de combustão.
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
Quanto mais elevada for a temperatura dos gases de combustão
na saída do combustor, maior a energia útil e a eficiência da
turbina.
A temperatura limite é a temperatura de resistência do material de
construção da turbina, particularmente onde ocorre o primeiro
contato entre os gases de exaustão e o primeiro local fora da
câmara que são as lâminas do primeiro estágio da turbina decâmara que são as lâminas do primeiro estágio da turbina de
expansão.
Uma vez que esta temperatura depende da taxa de transferência
de calor dos gases, quaisquer meios de reduzir a taxa de
transferência e de resfriar as lâminas permitem a operação com
temperaturas mais elevadas do gás.
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CANNULAR 
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CÂMARA DE COMBUSTÃO DE TURBINA INDUSTRIAL
TURBINAS A GÁS Componentes PrincipaisCÂMARA DE COMBUSTÃO DE TURBINA INDUSTRIAL
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CÂMARA DE COMBUSTÃOCÂMARA DE COMBUSTÃO
TURBINAS A GÁS Componentes Principais
CÂMARA DE COMBUSTÃOCÂMARA DE COMBUSTÃO
TURBINAS A GÁS Combustíveis
� Combustíveis para turbinas a gás
Os combustíveis para turbinas a gás podem ser diversos. A condição
que deve ser considerada é que a quantidade de cinzas insolúveis não
exceda um certo limite.
Combustíveis;
• Gás Natural: é o melhor combustível (ideal) para uso nas turbinas a
gás.
• Derivados de Petróleo: constituídos por hidrocarbonetos destilados
(gasolina, querosene, óleo Diesel, nafta, etc.), são bastante
convenientes desde que produzam pouca cinza.
TURBINAS A GÁS Combustíveis
• Petróleo Bruto (óleo não processado): na maioria dos casos,
constitui um combustível muito favorável, que pode ser utilizado sem
reaquecimento nem tratamento prévio.
• Gases de Alto Fornos: como a quantidade de pó neste combustível é
geralmente elevada, deve ser instalado um filtro na entrada do
compressor para sua utilização. Embora seja barato, não é um
combustível ideal, pois seu poder calorífico por unidade de volume é
baixo necessitando-se de grande quantidade do mesmo.baixo necessitando-se de grande quantidade do mesmo.
• Biocombustíveis.
TURBINAS A GÁS Combustíveis
� Principais características dos combustíveis para as turbinas a
gás :
• ser abundante na natureza e ter extração rentável;
• ter um pode calorífico por unidade de peso ou volume
elevado;
• produzir gases de combustão que não poluam tanto o
meio ambiente;meio ambiente;
• não atacar as partes que estão em contato com ele ou
com os seus produtos de combustão.
TURBINAS A GÁS Combustíveis
TURBINAS A GÁS Combustíveis
TURBINAS A GÁS Combustíveis
Excesso de ar de combustão
TURBINAS A GÁS Combustíveis
Calor específico médio para o óleo combustível
TURBINAS A GÁS Classificação
5. CLASSIFICAÇÃO QUANTO AO CICLO:
Ciclo aberto: fluido de trabalho não retorna ao início do ciclo;
Ciclo fechado: o fluido permanece no sistema.
TURBINAS A GÁS Classificação
Esquema de turbina a gás de ciclo fechado: eletricidade e aquecimento (2,3 MW)
Fluido de trabalho : ar. Combustível: carvão pulverizado. 
TURBINAS A GÁS Classificação
ANÁLISE COMPARATIVA DO CICLO
Vantagens:
a) Uso de alta pressão no ciclo (maior densidade)
- dimensões menores das turbomáquinas ;
- regulagem em larga faixa de operação sem alteração da
temperatura – (pouca variação do rendimento) regulagem pelatemperatura – (pouca variação do rendimento) regulagem pela
pressão;
- melhoria da troca de calor.
b) Uso múltiplo de combustível, inclusive outras fontes de calor
(solar, nuclear)
TURBINAS A GÁS Classificação
c) Fluido de trabalho não contaminado 
- não há corrosão e desgaste (turbomáquinas);
- não há necessidade de filtros.
d) Uso de outros fluidos de trabalho
- melhores propriedades termodinâmicas;
- gás neutro.
TURBINAS A GÁS Classificação
ANÁLISE COMPARATIVA DO CICLO
Desvantagens:
a) Combustão externa
- uso de sistemas auxiliares;
- diferença de temperatura (gases x fluido de trabalho);
- limite máximo de temperatura � 770ºC (trocadores).
b) Uso de trocador de calor � resfriamento (água);
c) Custo, volume e peso maiores;
d) Problemas de vedação
- carcaça mais reforçada
TURBINAS A GÁS Classificação
ANÁLISE COMPARATIVA DO CICLO
FLUIDO DE TRABALHO
Em geral é usado ar, CO2 e principalmente Hélio devido à suas
excelentes propriedades termodinâmicas.
TURBINAS A GÁS Classificação
Grandeza Símbolo Unidade Helio Ar He/Ar
Massa específica ρ kg/m³ 0,179 1,20 1/7
Massa molecular M kg/mol 4,0 29
Constante dos gases R kJ/kg.K 2,078 0,287
Comparação do Hélio com o Ar 
Expoente Isentrópico k - 1,66 1,40
Calor específico C kJ/kg.K 5,24 1,0 5
Velocidade do som a m/s 970 330 3
Coeficiente Condução Calor λ W/m.K 0,144 0,026 5,5
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
6. CICLO BRAYTON: ciclo ideal das turbinas a gás
Ciclo aberto Ciclo fechado
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
� CICLO BRAYTON
Idealização: análise do ar padrão – ciclo Brayton de ar padrão
Considerações:
- o fluido de trabalho é o AR, com a mesma composição durante o
ciclo , e que se comporta como um gás perfeito com calor específicociclo , e que se comporta como um gás perfeito com calor específico
constante;
- o aumento de temperatura devido à combustão é alcançado pela
transferência de calor de uma fonte externa.
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
O ciclo Brayton (ideal) é constituído por quatro processos internamente
reversíveis:
1-2 Compressão isoentrópica (no compressor)
2-3 Fornecimento de calor à pressão constante
3-4 Expansão isoentrópica (na turbina)3-4 Expansão isoentrópica (na turbina)
4-1 Rejeição de calor à pressão constante
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
� CICLO BRAYTON REAL: Irreversibilidades e perdas
O ciclo real de uma turbina a gás difere do ciclo ideal, devido
principalmente às irreversibilidades e perdas. As perdas são:
- Perdas durante a compressão (caracterizadas pelo rendimento do
compressor);
- Perdas durante a expansão (caracterizadas pelo rendimento da turbina);
- Perdas de carga durante a combustão, caracterizadas pelo dP entre a- Perdas de carga durante a combustão, caracterizadas pelo dP entre a
pressão de saída do compressor e de entrada da turbina;
- Perdas de carga na passagem do fluido em tubulações.
- Fluido em alta velocidade: mudança de energia cinética não pode ser
desprezada;
- Mudança de coeficientes termodinâmicos (cp e k) ao longo do ciclo,
devido a mudança de temperatura e propriedades do fluido devido à
combustão.
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
Diferença entre um ciclo real e o ciclo Brayton em função das
irrersibilidades
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
� CICLO BRAYTON COM REGENERAÇÃO (ou recuperação)
O ciclo com regenerador (trocador de calor) consiste no aproveitamento
dos gases quentes de exaustão da turbina para aquecer o ar à alta
pressão que sai do compressor, em um trocador de calor.
A regeneração possibilita um aumento na eficiência térmica do ciclo:
- aproveitando parte da energia dos gases de escape (normalmente
rejeitada para a vizinhança);
- pré-aquecendo o ar que entra na câmara de combustão;- pré-aquecendo o ar que entra na câmara de combustão;
- diminuindo a quantidade de calor (combustível) que deve ser
fornecida para o mesmo trabalho líquido produzido.
O uso do regenerador somente é recomendado quando a temperatura
de exaustão da turbina for maior que a temperatura de saída do
compressor.
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
Ciclo Brayton com regeneração
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
� CICLO BRAYTON COM RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO,
REAQUECIMENTO E REGENERAÇÃO
O trabalho líquido de um ciclo de turbina a gás pode ser aumentado
através das seguintes possibilidades:
- diminuindo o trabalho do compressor;
- aumentando o trabalhando da turbina;
- ambos os processos anteriores.- ambos os processos anteriores.
O trabalho de compressão ou expansão em regime permanente é
proporcional ao volume específico do fluido de trabalho. Portanto, o
volume específico deve ser o mais baixo possível durante um
processo de compressão e o mais alto possível durante o processo de
expansão.
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
O resfriamento intermediário e o reaquecimento promovem este
princípio.
O trabalho necessário para comprimir um gás entre duas pressões
especificadas pode ser diminuídoexecutando o processo de
compressão em estágios e resfriando o gás durante este processo
(compressão de múltiplos estágios e resfriamento intermediário).
O trabalho realizado por uma turbina que trabalha entre dois níveis de
pressão pode ser aumentado pela expansão do gás em estágios e pelo
seu reaquecimento (expansão em múltiplos estágios com
reaquecimento).
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
Ciclo Brayton com resfriamento intermediário, reaquecimento e regeneração 
TURBINAS A GÁS Ciclos de Funcionamento das turbinas a gás
TURBINAS A GÁS Tabelas
TURBINAS A GÁS Tabelas
TURBINAS A GÁS Tabelas
TURBINAS A GÁS Tabelas
TURBINAS A GÁS Tabelas
TURBINAS A GÁS Exercícios
1. Uma usina a gás que opera em um ciclo Brayton simples ideal possui
razão de pressão de 8. A temperatura do ar é de 300 K na entrada do
compressor e 1300 K na entrada da turbina. Utilizando as hipóteses do ciclo
padrão a ar, determine:
a) a temperatura do ar nas saídas do compressor e da turbina;
b) a razão de consumo de trabalho: compressor / turbina;
c) A eficiência térmica do ciclo.
TURBINAS A GÁS Exercícios
2. Considerando os dados do exercício anterior e uma eficiência para o
compressor de 80% e uma eficiência para a turbina de 85%, determine:
a) a razão de consumo de trabalho;
b) a eficiência térmica do ciclo;
c) a temperatura do ar nas saídas do compressor e da turbina.
TURBINAS A GÁS Exercícios
3. Tomando como referência os dados do exercício 2, determine a
eficiência térmica do ciclo quando um regenerador com efetividade de
80% for instalado.
TURBINAS A GÁS Exercícios
4. Um ciclo de turbina a gás ideal com dois estágios de compressão e
dois estágios de expansão possui uma razão de pressão total igual a 8.
O ar entra em cada estágio do compressor a 300 K e em cada estágio
da turbina a 1300 K. Determine a razão de consumo de trabalho e a
eficiência térmica desse ciclo de
turbina a gás, considerando:
a) nenhum regenerador;
b) um regenerador ideal deb) um regenerador ideal de
efetividade de 100%;
c) Compare os resultados com os do
exercício 2.
TURBINAS A GÁS Exercícios
5. Uma usina de potência a turbina a gás opera em um ciclo Brayton
simples ideal com ar como fluido de trabalho. Ar entra no compressor a
95 kPa e 290 K e na turbina a 760 kPa e 1100 K, respectivamente. Calor é
transferido para o ar a uma taxa de 35000 kJ/s. Determine a potência
produzida por essa usina:
a) Considerando calores específicos constantes à temperatura ambiente;
b) Considerando a variação de calores específicos com a temperatura.
6. Uma usina de potência com turbina a gás (figura) funciona segundo o
ciclo Brayton simples entre os limites de pressão de 100 e 1200 kPa. O
fluido de trabalho é o ar, que entra no compressor a 30ºC a uma vazão de
150 m3/min e deixa a turbina a 500 ºC. Usando calores específicos
variáveis para o ar e considerando uma eficiência isoentrópica do
compressor de 82% e da turbina de 88%, determine:
TURBINAS A GÁS Exercícios
a) a produção líquida de potência;
b) a razão de consumo de trabalho;
c) a eficiência térmica.
7. Um ciclo Brayton ideal com regeneração tem uma razão de
pressão de 10. O ar entra no compressor a 300 K e na turbina a 1200
K. Se a eficiência do regenerador for 100%, determine o trabalho
líquido produzido e a eficiência térmica do ciclo. Considere a variação
dos calores específicos com a temperatura.

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