Ciclos combinados gás/vapor
[47]_11 Mai 2023, quinta-feira
Curso: 218140 - ENGENHARIA MECÂNICA - Integral
Período 07 - Turma: 0101 - Disciplina: 08919
TERMODINÂMICA APLICADA B
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Ciclos combinados gás/vapor, Esquemas de Termodinâmica
Uma análise detalhada de um ciclo combinado gás/vapor, que consiste em um ciclo de turbina a gás (ciclo brayton) acoplado a um ciclo de turbina a vapor (ciclo rankine). São discutidos os conceitos fundamentais dos ciclos individuais, como o ciclo de carnot, o ciclo brayton e o ciclo rankine, bem como a integração desses ciclos em um sistema combinado. O documento aborda a análise termodinâmica do ciclo combinado, incluindo a determinação da razão de vazões mássicas entre o vapor e os gases de combustão, além da eficiência térmica do sistema. Essa análise é realizada com base em um exemplo numérico apresentado no livro çengel & boles (2014), demonstrando a aplicação prática dos conceitos teóricos. O documento enfatiza as vantagens do ciclo combinado em relação aos ciclos individuais, destacando sua maior eficiência na conversão da energia fornecida pelo combustível em trabalho útil.
Tipologia: Esquemas
2022
1 / 24
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Ciclos combinados gás/vapor
[47]_11 Mai 2023, quinta-feira
Curso: 218140 - ENGENHARIA MECÂNICA - Integral
Período 07 - Turma: 0101 - Disciplina: 08919
TERMODINÂMICA APLICADA B
Ciclo de Carnot x ciclo Brayton
Ciclo Brayton no diagrama T-s
Ciclo de Carnot no diagrama T-s
Ref.: Steam turbine cycles and cycle design optimization: combined cycle power plants - R. W. Smith
Compare:
Ciclo Carnot (verde à esquerda) x ciclo Brayton
real (verde à direita) + irreversibilidades
(vermelho e azul)
Ciclo de Carnot x ciclo Brayton + ciclo Rankine
Ciclo Rankine Ciclo Brayton
Chaminé
Câmara de
combustão
Turbo-gerador
Turbina a
vapor
Torre de resfriamento
condensador
bomba
Compressor
de ar
Caldeira de
recuperação
Ar de resfriamento Turbina a gás
T
Ciclo combinado gás/vapor
Esquema didático do
ciclo combinado no
livro Çengel
Ciclo combinado no
diagrama Ts (livro Çengel)
10 - 9: Ciclo de potência combinado Gás / Vapor
Considere o ciclo combinado gás/vapor mostrado na Fig. 10-26.
O ciclo de cobertura (topping) é um ciclo de turbina a gás com
taxa de compressão 8. O ar entra no compressor a 300 K e entra
na turbina a 1300 K.
A eficiência isoentrópica do compressor é 80 % e a da turbina a
gás é de 85 %.
O ciclo inferior (bottoming) é um ciclo Rankine ideal simples
operando entre os limites de pressão de 7 MPa e 5 kPa.
O vapor é aquecido no trocador pelos gases de exaustão da
turbina até a temperatura de 500 [
o
C].
Os gases de exaustão deixam o trocador de calor a 450 K.
Determine :
(a) A razão de vazões mássicas: vapor / gases de combustão
(b) A eficiência térmica deste ciclo combinado.
Ciclo combinado gás/vapor – Ex. 10-9 do Çengel & Boles (2014)
Ciclo combinado gás/vapor – Ex. 10-9 do Çengel & Boles (2014)
Ex. 9.
Ex. 9.
Ex. 10.
Antes, vamos
resolver estes
Exs.
[07]_24 Fev 2022
10 - 9: Ciclo de potência combinado Gás / Vapor
Considere o ciclo combinado gás/vapor mostrado na Fig. 10-26.
O ciclo de cobertura (topping) é um ciclo de turbina a gás com
taxa de compressão 8. O ar entra no compressor a 300 K e entra
na turbina a 1300 K.
A eficiência isoentrópica do compressor é 80 % e a da turbina a
gás é de 85 %.
O ciclo inferior (bottoming) é um ciclo Rankine ideal simples
operando entre os limites de pressão de 7 MPa e 5 kPa.
O vapor é aquecido no trocador pelos gases de exaustão da
turbina até a temperatura de 500 [
o
C].
Os gases de exaustão deixam o trocador de calor a 450 K.
Determine :
(a) A razão de vazões mássicas: vapor / gases de combustão
(b) A eficiência térmica deste ciclo combinado.
Ciclo Brayton simples ideal – Ex. 9-5 do Çengel & Boles (2014) - resolução
(a) As temperaturas nas saídas do compressor e da turbina são
determinadas a partir das relações isoentrópicas:
- Processo 1 – 2: compressão isoentrópica de um gás ideal:
T
1
= 300 [K] h
1
= 300.19 [kJ/kg]
P
r
h
2
= 544.35 kJ/kg (Tabela A-17)
- Processo 3 – 4: expansão isoentrópica de um gás ideal:
T
3
= 1300 [K] h
3
= 1395.97 [kJ/kg]
P
r
(Tabela A-17)
(Tabela A-17)
h
4
= 789.37 kJ/kg (Tabela A-17)
T
1
T
2
T
4
T
3
Ciclo Brayton simples ideal – Ex. 9-5 do Çengel & Boles (2014) - resolução
( b ) Para achar o “back work ratio”, precisamos achar o imput de trabalho no compressor e o output da turbina:
ou seja, 40.3 % do
trabalho da turbina
será utilizado só para
virar o compressor!
Assim,
( c ) A eficiência térmica do ciclo é a razão do trabalho líquido ( w
ne t
) pelo total de calor fornecido ao ciclo ( q
in
Ciclo Brayton simples ideal – Ex. 9-5 do Çengel & Boles (2014) - resolução
A eficiência térmica do ciclo também poderia ser calculada a partir de:
Onde:
...que é bem próximo do valor obtido considerando as variações dos calores específicos com a temperatura
Sob condições padrão de ar (valores de propriedades físicas na temperatura ambiente), a eficiência térmica seria:
Discussão:
Ex. 9.
Ex. 9.6 = Ex. 9.5 +
C
T
T
= 85%
Ciclo de turbina a gás real – Ex. 9-6 do Çengel & Boles (2014)
Ex. 9-6: Um ciclo de turbina a gás real
Assumindo a eficiência de compressor de 80% e
a eficiência de turbina de 85%, determine:
( a ) O “back work ratio”,
( b ) A eficiência térmica do ciclo,
( c ) A temperatura da saída do gás da turbina
C
= 80%
Ciclo de turbina a gás real – Ex. 9-6 do Çengel & Boles (2014) - solução
Ou seja, o compressor consome agora 59.2 % do trabalho
produzido na turbina (bem mais que os 40.3% do cenário
anterior). Este aumento é devido às irreversibilidades
que ocorrem dentro do compressor e da turbina.
( a ) O “back work ratio” :
T
= 85%
C
= 80%
Ciclo de turbina a gás real – Ex. 9-6 do Çengel & Boles (2014) - solução
( b ) A eficiência térmica do ciclo,
T
2a
= 598 [K] (Tab. A-17)
Ou seja, as irreversibilidades do compressor e da turbina reduziram
a eficiência do ciclo de 42.6% para 26.6%. Isto mostra a
sensibilidade de uma planta a gás às eficiências das máquinas
h = 880.36 [kJ/kg]
T
4 a
= 853 K
interpolação
Ex. 9-6:
Conhecendo
a entalpia
h
4a
[KJ/kg],
vamos
buscar a T
4a
Os processos 1 - 2 e 3 - 4 são isoentrópicos,
e P
2
= P
3
e P
4
= P
1
. Assim,
Ciclo Brayton: rendimento x razão de compressão
r
p
= P
2
/ P
1