Módulo 8 - Ciclo Brayton - Regeneração - Reaquecimento

7/23/2019 Mdulo 8 - Ciclo Brayton - Regenerao - Reaquecimento

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Sistemas Fluidotrmicos

Ciclo Brayton

Profa. Dra. Simoni M. Gheno

Ciclo Brayton com Regenerao

Profa. Dra. Simoni M.Gheno

Moran e Shapiro Princpios de Termodinmica para Engenharia, 4 ed. LTC, 2000


A temperatura de sada da turbina a gs normalmente bem acima da temperaturaambiente. Consequentemente, o gs quente desada da turbina tem potencial para uso

(exergia) que seria irremediavelmente perdidose o gs fosse descarregado nas vizinhanas.



Uma forma de utilizar essa energia atravs do usodesse calor em um trocador de calor conhecidocomo regenerador o qual permite opreaquecimento do ar que deixa o compressorantes de ele entrar no combustor reduzindo dessa

forma a quantidade de combustvel que deve serconsumido.





O regenerador umtrocador de calor emcontracorrente, atravsdo qual o ar quente deescape da turbina e o armais frio que deixa ocompressor circulam emdirees opostas.


De forma ideal nenhuma perda de carga por atrito

ocorre em quaisquer das correntes


O gs de escape da turbina resfriado do estado 4 aoestado Y, enquanto o arque sai do compressor aquecido do estado 2 aoestado X.




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Assim a TC de uma fonte

externa ao ciclo necessriaapenas para aumentar atemperatura do ar do estadoX ao estado 3, ao invs doestado 2 ao 3 (caso semregenerao).



O calor adicionado por unidade de massa ser dado pela

equao:




O calor adicionado por unidade de massa ser dado pelaequao:

O trabalho lquido produzido por unidade de vazo emmassa no alterado pela incluso de um regenerador.Logo, j que o calor adicionado reduzido, a eficinciatrmica aumenta.




Efetividade do regenerador:

A TC externa requerida por umainstalao de potncia a gsdiminui a medida que atemperatura Tx aumenta (entalia

especfica hx aumenta)





Evidentemente existe umincentivo em termos de economiade combustvel para selecionar oregenerador que fornea omximo valor terico de Tx (e omximo valor de Tx seria o valorda temperatura na sada daturbina, ou seja T4 processoreversvel).





A medida que a transferncia decalor se aproxima da situaoreversvel, hx se aproxima de h4 e,reg tende a 1 (100%).





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Na prtica valores tpicos deefetividade do regenerador estoentre 60 a 80%, e assim, atemperatura Tx (ar que deixa ocompressor e passa peloregenerador) est normalmenteabaixo da temperatura de sada daturbina.





Um aumento da temperatura acima desta faixa poderesultar em custos de equipamento que cancelam avantagem devido economia de combustvel.

A maior rea de TC que seria necessria para maioreficincia pode resultar em perda de carga por atritosignificativa para o escoamento atravs do regenerador,afetando dessa forma o empenho global.

A deciso de adicionar um regenerador influenciadapor consideraes como essas e, a deciso final primordialmente econmica.




Exemplo 1Ar entra em um compressor de um ciclo ar-padro Brayton a100kPa e 300K, com uma vazo volumtrica de 5m3/s. Arelao de compresso do compressor 10. A temperatura deentrada na turbina 1400K. Um regenerador incorporado aociclo. Determine(a) eficincia trmica para a efetividade do regenerador de 80%(b) faa um grfico da eficincia trmica versus efetividade doregenerador na faixa de 0 a 80%



Exemplo 1



Exemplo 1


Resoluo:Usaremos as entalpias especficas do exemplo 1 (aula de CicloBrayton Ideal).h1=300,19kJ/Kgh2=579,89kJ/Kgh3=1515,4kJ/Kgh4=808,5kJ/Kg

Precisamos determinar a entalpia especfica hx do regenerador.


Exemplo 1




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Exemplo 1



Exerccio 1

Um compressor de um ciclo Brayton admite ar a 100kPa,

300k e vazo volumtrica de 5m3/s. A temperatura deentrada da turbina 1400K. Considere taxas decompresso de 2 a 20. Para esse problema, desenvolvaclculos para eficincias isentrpicas tanto na turbina ecompressor de 90, 80 e 70%. Inclua nesse processo umregenerador com eficincia de 80%.Determine:(a) esboce graficamente a eficincia trmica(b) razo de trabalho reversa(c) potncia lquida desenvolvida



Exerccio 2Ar entra em um compressor de uma turbina a gs simples ap1=100kPa, T1=290K. As eficincias isentrpicas do compressore da turbina so, respectivamente, 83 e 87%. A taxa decompresso 14 e a temperatura na entrada da turbina 1400K. A potncia lquida desenvolvida 1,5MW. Tomandocomo base uma anlise de ar-padro, calcule:

(a) vazo volumtrica na entrada do compressor(b) Temperaturas nas sadas do compressor e da turbina, em oRSupondo que nesse circuito seja incluido um regenerador comeficincias que podem variar de 0a 100%.

(c) eficincia trmica(d) decrscimo percentual de adio de calor.



Turbinas a gsregenerativas comreaquecimento e

inter-resfriamento



Turbinas a gs regenerativas comreaquecimento e inter-resfriamento

Duas modificaes nas turbinas a gs aumentam o trabalholquido :

- expanso em mltiplos estgios com reaquecimento

- compresso em mltiplos estgios com inter-resfriamento



Estas modificaescombinadas podemresultar em aumentossubstanciais daeficincia trmica.


TURBINAS A GS COM REAQUECIMENTO



Por razes metalrgicas a temperatura dos gases dacombusto que entram na turbina deve ser limitada.

Essa temperatura pode sercontrolada fornecendo-se ar emquantidades acima da necessriapara a queima de combustvel nocombustor.

Dessa forma, os gases que deixam o combustor contm ar

suficiente para suportar a combusto de combustveladicional.


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Algumas instalaes de potncia a gs tiram vantagem do

excesso de ar por intermdio de uma turbina de mltiplosestgios com um COMBUSTOR COM REAQUECIMENTO ente osestgios - permite aumento do trabalho lquido por unidadede massa escoando.




Aps a expanso do estado 3 para a 1a turbina, o gs

reaquecido a presso constante do estado a para o estado b.O processo de expanso ento completado pela passagemna 2a turbina do estado b ao estado 4.




O trabalho total da turbina de 2 estgios maior do que aquelecom uma nica expanso. Logo, o trabalho lquido do ciclo comreaquecimento maior do que aquele sem reaquecimento.




Apesar do aumento do trabalho lquido com o processo dereaquecimento, a eficincia trmica do ciclono necessariamente aumentaria porque seria exigidauma maior adio de calor total.

Porm: Tsada da turbina maior com reaquecimento do que sem

este

Portanto: potencial para regenerao aumentado.




Profa. Dra. Simoni M.

Gheno


COMPRESSO COM INTER-RESFRIAMENTO



O trabalho lquido produzido por uma turbina a gstambm pode ser aumentado reduzindo-se o trabalhofornecido ao compressor.

Isso pode ser obtido atravs dacompresso em mltiplosestgios com inter-resfriamento.


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O processo de compresso com inter-resfriamento

uma alternativa prtica que permite separar asinteraes de trabalho e calor em processos distintos.

Permite que acompresso ocorra emestgios com trocadoresde calor (inter-resfriadores), queresfriam o gs entre osestgios.


Processo 1-c

representa acompresso

isentrpicas do estado1 para o estado c (Pi)


Processo c-d

gs resfriado apresso constante datemperatura Tc para a

temperatura Td


Processo d-2

compressoisentrpica at o

estado 2


Gheno

Inter-resfriamento

rea sombreada 1-c-d-2-a-b-1: representao trabalho fornecidopor unidade devazo.

Sem inter-resfriamento:

rea 1-2'-a-b-1:representa o trabalhofornecido por unidade

de vazo.

A rea em verderepresenta a reduo

do trabalho que seria

obtida com o inter-resfriamento.


Gheno




Alguns compressores grandes possuem vrios estgiosde compresso com inter-resfriamento entre estgios.

A determinao do nmero de estgios e as condiesde operao dos vrios estgios inter-resfriadores soum problema de otimizao.


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O uso da compresso em mltiplos estgios com inter-

resfriamento em uma instalao de potncia a gsaumenta o trabalho lquido produzido atravs dareduo do trabalho de compresso.

Porm, a insero da compresso ou do inter-resfriamento isoladamente no aumentaria a eficinciatrmica de uma turbina a gs porque a temperatura deadmisso do ar no combustor seria reduzida.

Por que?Profa. Dra. Simoni M.Gheno




Uma temperatura mais baixa na entrada do combustor (2)

exigir TC adicional para atingir a temperatura da entradadesejada na turbina.





No entanto, a temperatura mais baixa na sada docompressor (2) aumenta o potencial de regenerao, deforma que, quando o inter-resfriamento usado em conjuntocom a regenerao, pode resultar em um aumentoaprecivel da eficincia trmica.

Exemplo 1

Um compressor de um ciclo ideal ar-padro Brayton admite ara 100kPa e 300K, a 5m3/s e comprimido at 1000kPa. Esseprocesso envolve reaquecimento e regenerao. A temperaturana entrada do 1 estgio da turbina 1400K. A expansoocorre isentrpicamente em 2 estgios, com reaquecimentoat 1400K, entre os estgios, com presso constate de 300kPa.Um regenerador com eficincia de 100% incorporado ao

ciclo. Determine a eficincia trmica.



Exemplo 1

Grfico do processo



Exemplo 1

Resoluo:

h1=300.19 kJ/kg, h2=579.9 kJ/kg, h3=1515.4 kJ/kg. Atemperatura do estado b a mesma do estado 3, logo hb=h3.



De onde:


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Exemplo 1

O estado 4 pode ser ento determinado:



De onde:

Como a eficincia do regenerador 100%,hx=h4=1127,6kJ/Kg

Exemplo 1

Podemos ento calcular a eficincia trmica:



Exemplo 2

Ar comprimido de 100kPa e 300 K para 1000 kPa em umcompressor de 2 estgios com inter-resfriamento. A presso doprocesso de inter-resfriamento 300kPa. O ar resfriadonovamente a 300 K no inter-resfriador antes de entrar no 2oestgio do compressor. Cada estgio do compressor isentrpico.Para operao em regime permanente considerando desprezveisvariaes de energia cintica e potencial, determine: (a)Temperatura de sada do 2o estgio (b) trabalho total fornecido

ao compressor por unidade de fluxo de massa.



Exemplo 2



Exemplo 2

(a) A temperature de sada do 2o estgio do compressor, T2,pode ser encontrada usando-se a relao do processoisentrpico d2



Com Prd emTd=300 K a partir da Tabela Termodinmica ,P2=1000 kPa, e Pd= 300 kPa

A partir da Tabela Termodinmica, obtemos T2=422K eh2=423,8kJ/kg

Exemplo 2

(b) trabalho total fornecido ao compressor por unidade defluxo de massa ser calculado por:



A partir da Tabela Termodinmica T1=300 K, h1=300.19 kJ/kg.Como Td =T1, hd=300.19 kJ/kg. Para encontrar hc, use osdados de Pr a partir das Tabelas junto com P1=100 kPa ePc=300 kPa como segue:


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Exemplo 2

Utilizando as Tabelas, obtemos ento hc=411.3kJ/kg. Logo,

o trabalho total do compressor por unidade de massa ser:



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