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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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