Ciclo Brayton e turbinas a gás

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Aula 4 – Turbinas a gás e ciclo Brayton
Máquinas Térmicas
Prof. Josimar Souza Rosa
Turbinas a Gás
Historicamente foram realizadas muitas tentativas de colocar em operação uma turbina a gás, pois havia dificuldade de operação em relação aos equipamentos a vapor devida simplicidade destes.
Durante muitas décadas tentou-se obter trabalho útil a uma temperatura que os materiais suportassem.
Ciclo proposto por George Brayton em 1870
Primeira patente: John Barber em 1871, sem sucesso.
Primeira tentativa bem sucedida: Aegidius Ellng em 1904, potência líquida de 11 HP, câmara de combustão a pressão constante.
Primeira comercialização: Brown Boveri (atual ABB) em 1939.
Turbinas a Gás
Aplicação aeronáutica
Turbinas a Gás
Geração de energia
Turbinas a Gás
Navios
Turbinas a Gás
Pontos de desenvolvimento nas últimas décadas:
- Aumento da temperatura do ar na entrada;
- Melhora do desempenho dos componentes, principalmente as pás de compressores e turbinas, e da câmara de combustão;
- Materiais resistência a altas temperaturas e tecnologias de resfriamento.
Ciclo Brayton
Turbinas a Gás
Ciclo Brayton
Turbinas a Gás
Classificação da turbinas a gás
Heavy Duty
Aeroderivativas
Oriundas de projetos aeronáuticos para aplicação industrial
Projeto exclusivamente industrial
Aeronáutica
Projeto para aviões
Turbinas a Gás
Heavy Duty
Projetadas especificamente para aplicação industrial
Flexibilidade de combustível
Robustez
Potência até 340 MW
Grande aplicação é a geração de eletricidade
Possui larga área frontal, incidindo em baixa velocidade do ar na entrada
Ciclo Brayton
Turbinas a Gás
Ciclo Brayton
Turbinas a Gás
Aeroderivativas
Economia no projeto
Ocupam menor espaço
Possuem menor relação peso/potência
Potência até 50 MW
Aplicadas em plataformas
Constituída de um gerador de gás e uma turbina livre
Necessita modificações para queimar o combustível industrial
Nome da Apresentação
Turbinas a Gás
Turbinas a Gás
Câmara de Combustão
Possui a finalidade de queimar uma quantidade de combustível fornecida pelo injetor com o ar proveniente do compressor, bem como gerar um fluxo de gás uniforme para a turbina nos diversos regimes de operação.
Componentes básicos:
Carcaça
Difusor
Tubo de chama
Bico injetor de combustível
Turbinas a Gás
Evolução das câmaras de combustão
Turbinas a Gás
Turbinas a Gás
Turbinas a Gás
Turbinas a Gás
https://www.youtube.com/watch?v=ptRsKwDWtfA
https://www.youtube.com/watch?v=GF-70yncAVY
Turbinas a Gás
Turbinas a Gás
O ciclo teórico criado por George Brayton diferia dos demais estudados até agora em relação ao processo de rejeição de calor, que é realizado a pressão constante.
Compressão isentrópica (1-2): COMPRESSOR
Fornecimento de calor a pressão constante (2-3): TROCADOR DE CALOR
Expansão isentrópica (3-4): TURBINA
Rejeição de calor a pressão constante (4-1): TROCADOR DE CALOR
Turbinas a Gás
Balanço térmico
Calor que entra
Calor que sai
Eficiência térmica
Por que máquinas térmicas de tamanhos maiores tendem a ter eficiências maiores?
1 
1
1 
2
2
2
V = 1 m³
A = 6 m²
V = 8 m³
A = 24 m²
V aumentou 8x
A aumentou 4x
1) Uma usina termelétrica com turbina a gás opera em um ciclo Brayton ideal com razão de pressões igual a 8. A temperatura do gás na entrada do compressor é 300 K e na entrada da turbina 1300 K. A vazão mássica de gás é 11 kg/s.
k=1,4; R=287 J/kg.K; cp = 1,0045 kJ/kgK
a) Quais as temperaturas do gás na saída do compressor e da turbina?
b) Qual a eficiência térmica do ciclo com base no qe e qs?
c) Qual a potência líquida desenvolvida pela turbina?
A temperatura 2, na saída do compressor, será:
A temperatura 4, na saída da turbina, será:
P2=P3
P1=P4
rp=P2/P1
1) Uma usina termelétrica com turbina a gás opera em um ciclo Brayton ideal com razão de pressões igual a 8. A temperatura do gás na entrada do compressor é 300 K e na entrada da turbina 1300 K. A vazão mássica de gás é 11 kg/s.
k=1,4; R=287 J/kg.K; cp = 1,0045 kJ/kgK
a) Quais as temperaturas do gás na saída do compressor e da turbina?
b) Qual a eficiência térmica do ciclo com base no qe e qs?
c) Qual a potência líquida desenvolvida pela turbina?
P2=P3
P1=P4
A eficiência térmica será dada pela equação 14:
Se a eficiência térmica for calculada pela equação 19:
rp=P2/P1
1) Uma usina termelétrica com turbina a gás opera em um ciclo Brayton ideal com razão de pressões igual a 8. A temperatura do gás na entrada do compressor é 300 K e na entrada da turbina 1300 K. A vazão mássica de gás é 11 kg/s.
k=1,4; R=287 J/kg.K; cp = 1,0045 kJ/kgK
a) Quais as temperaturas do gás na saída do compressor e da turbina?
b) Qual a eficiência térmica do ciclo com base no qe e qs?
c) Qual a potência líquida desenvolvida pela turbina?
P2=P3
P1=P4
rp=P2/P1
Turbinas a Gás em Aviação
A expansão na turbina ocorre apenas para acionar o próprio compressor e acessórios;
O objetivo é produzir gases em alta velocidade e empuxo suficiente para movimentar o avião;
Seu ciclo é representado pelo Brayton, porém o trabalho líquido é igual a zero (ideal).
Turbofan
Turbinas a Gás em Aviação
Turbohélice
Turbinas a Gás em Aviação
Turbojato
Turbinas a Gás em Aviação
Equacionamento:
Força de empuxo
Potência de propulsão
Eficiência de propulsão 
Turbinas a Gás em Aviação
h
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