TG - Aulas 6 a 12
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Disciplina: Turbinas a Gás
Prof. Alcides Codeceira Neto
Disciplina: Turbinas a Gás
Aula 6Aula 6
Prof. Alcides Codeceira Neto
Programa da Disciplina
1)Introdução ao Estudo das Turbinas a Gás
2) Considerações Importantes sobre Termodinâmica
3) Análise dos Componentes de uma Turbina a Gás
4)A Turbina a Gás “On-Design”
5)A Turbina a Gás “Off-Design”
2) Considerações Importantes sobre 2) Considerações Importantes sobre Termodinâmica
2) Considerações Importantes sobre Termodinâmica
2.1) Trabalho e Calor
2.2) Primeira Lei da Termodinâmica2.2) Primeira Lei da Termodinâmica
2.3) Equação da Continuidade de Massa
2.4) Segunda Lei da Termodinâmica
2.5) O Fluido Gasoso
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
2.1) Trabalho e Calor
• São formas de transferência de energia de um sistema para outro.
• São importantes na análise de processos e sistemas térmicos
2.2) Primeira Lei da Termodinâmica
Lei da Conservação de Energia
WQE −=∆
2.2) Primeira Lei da Termodinâmica
Lei da Conservação da Energia
2.3) Equação da Continuidade de Massa
Fluxo em uma Dimensão
VelAm ⋅⋅=•
ρ
2.4) Segunda Lei da Termodinâmica
( )
QW útil
1
=η
( )
QQQ
1
2
1
21
1 −=
−=
η
η
2.5) O Fluido Gasoso
Constante de Compressibilidade para o Gás
TR
vpZ
.
.=
Onde:
Z = constante de compressibilidade do gásP = pressãoV = volume específicoR = constante específica do gásT = temperatura
Para o gás ideal: Z = 1
TRvp .. =
2.5) O Fluido Gasoso
Constante Específica dos Gases
M
RR =
Onde:
R = Constante específica dos gases (kJ/kg.K)R- = Constante Universal dos Gases (8,314510 kJ/kmol.K)M = Massa Molecular (kg/kmol)
MR =
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Aula 7Aula 7
Prof. Alcides Codeceira Neto
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
Processo 1 - 2: Compressão isentrópica do fluido de trabalho através do comprensor.
Processo 2 – 3: Transferência de calor para o fluido de trabalho no trocador de calor, à pressão constante.
Processo 3 – 4: Expansão isentrópica na turbina.
Processo 4 - 1: Transferência de calor do fluido de trabalho no trocador de calor, à pressão constante.
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
Considerações sobre o Ciclo Brayton Ideal
• Considera-se o fluido de trabalho com propriedades de um gás ideal.
• Perdas são desprezadas nos processos de compressão e • Perdas são desprezadas nos processos de compressão e expansão.
• Não consideram-se as perdas por pressão nos trocadores de calor.
• Não consideram-se as perdas no eixo rotativo da máquina.
• Despreza-se o fluxo de massa de combustível.
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
( )
( )
( )TTchhQ
TTchhw
TTchhw
pt
pc
−=−=
−=−=
−=−=
4343
1212
.
.
.
( )
( )
Qw
www
TTchhQ
TTchhQ
in
útil
ctútil
pout
pin
=
−=
−=−=
−=−=
η
1414
2323.
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
( )
−
11
γγ
−=
r c
11
γ
η
2.6) O Ciclo Brayton Ideal
Efeito da Razão de Compressão para uma mesma Temperatura de Entrada da Turbina
Disciplina: Turbinas a Gás
Aula 8Aula 8
Prof. Alcides Codeceira Neto
3) Análise dos Componentes de uma 3) Análise dos Componentes de uma Turbina a Gás - Performance
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.2 – Modelagem do Combustor
3.3 – Parâmetros Importantes para a Turbina a Gás
3) Análise dos Componentes de uma Turbina a Gás - Performance
3.4 – Emissões
3.5 – Irreversibilidades na Turbina a Gás
3.6 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Industrial de Eixo Único
3.7 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Aeroderivada
3.8 – Cálculo da Eficiência Térmica da Turbina a Gás
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustãoou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
3.1 – A Câmara de Combustão ou Combustor
Disciplina: Turbinas a Gás
Aula 9Aula 9
Prof. Alcides Codeceira Neto
3.2 – Modelagem do Combustor
Definição da Razão Combustível - Ar
•
ηcc
teórica
real
farfar =
ηηηηcc = Eficiência de Combustão
far = Razão Combustível - Ar
•
•
=
m
mfarar
comb
real
Definição de Poder Calorífico
FormaçãodeEntalpia
hh
h
hf
=
∆+=
__0
0
3.2 – Modelagem do Combustor
Th
SensívelCalorh
FormaçãodeEntalpia
c
h
p
f
∆=∆
=∆
=
.
_
__0
Entalpia
Definição de Poder Calorífico
Condições Normais de Temperatura e Pressão : 25 ºC e 1 bar
•Q
3.2 – Modelagem do Combustor
•
mar
•
mcomb
•
mgás
Reator Químico
Definição de Poder Calorífico
3.2 – Modelagem do Combustor
hhh
hh
fffQ
Q
combargás
reagentesprodutos
000)( +−=
−=
hhhm
hhhm
fffarffar
QPCI
fffarffar
Q
combargás
combargás
comb
comb
000
000
.1
.1
1
.1
.1
1
+
+
+−=−=
−
−
+=
•
•
•
•
Definição de Poder Calorífico
PCI = Poder Calorífico Inferior
3.2 – Modelagem do Combustor
hhhm
fffarffar
QPCI
combargás
comb
000.
1.
11 +
+
+−=−= •
•
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Aula 10Aula 10
Prof. Alcides Codeceira Neto
3.2 – Modelagem do Combustor
•
mcomb
•
mar
•
mgásCombustor
2 3
hmhmhm gásgáscombcombarar...
•••
=+
3.2 – Modelagem do Combustor
Cálculo do Fluxo de Massa de Combustível
•••
+= mmm += mmm combargás
)15,298.(
)15,298.()15,298.(
3
23
−−
−−−=
TcTcTc
farpPCI
pp
gás
argás
teórica
3.2 – Modelagem do Combustor
Cálculo do Fluxo de Massa de Combustível
ηcc
teóricaarrealarcomb
farmfarmm ..
•••
==
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Aula 11Aula 11
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3.2 – Modelagem do Combustor
Cálculo da Pressão na Saída do Combustor
•
mcomb
−= ∆ −
PPPP
2
3223
1.
•
mar
•
mgásCombustor
2 3
3.2 – Modelagem do Combustor
Cálculo da Potência Térmica de Entrada no Combustor
PCImQ .••
= PCImQ combin.=
= Potência Térmica de Entrada no Combustor (kW)
= Fluxo de massa de Combustível (kg/s)
= Poder Calorífico Inferior do Combustivel (kJ/kg)
•
Qin
•
mcomb
PCI
3.3 – Parâmetros Importantes para a Turbina a Gás
Razão de Compressão
Pr 2=
Temperatura de Entrada da Turbina
PPr c
1
2=
TTET3
=
3.4 – Emissões3.4 – Emissões
3.4 – Emissões
3.4 – Emissões
Principais Gases do Efeito Estufa
• Dióxido de Carbono (CO2)• Dióxido de Carbono (CO2)
• Metano (CH4)
• CFC (Cloro – Flúor – Carbono)
• Vapor de água (H2O)
• Óxido Nitroso (N2O)
3.4 – Emissões
3.4 – Emissões
Aumento da Quantidade de CO2 Equivalente
3.4 – Emissões
Principais Consequências do Aquecimento Global
• Mudança na vegetação das diversas regiões do PlanetaPlaneta
• Aumento do nível do mar (derretimento das geleiras polares)
• Aumento da temperatura do Planeta
• Variabilidade e imprevisibilidade dos padrões climáticos (tais como secas, enchentes, ciclones, tempestades tropicais, furações, etc.)
Disciplina: Turbinas a Gás
Aula 12Aula 12
Prof. Alcides Codeceira Neto
3.5 – Irreversibilidades na Turbina a Gás
3.5 – Irreversibilidades na Turbina a Gás
Eficiência Isentrópica do Compressor
( )( )TTc
TTcWW
p
p
c
cis
arideal
c
s 12
.
.
−
−==η
Eficiência Isentrópica da Turbina
( )TTcW pcis
arreal
c12
. −
( )( )TTc
TTcWW
sp
p
t
tis
gás
gás
ideal
real
T43
43
.
.
−
−==η
3.5 – Irreversibilidades na Turbina a Gás
Cálculo da Temperatura do Ar na Saída do Compressor
( )( )
−+=
−
1.1
1.1
12 rTT cisc
γγ
η
3.5 – Irreversibilidades na Turbina a Gás
Cálculo da Temperatura dos Gases de Exaustão na Saída da Turbina
( )
−−=
−
P
PTT ist
4
3
11.1.
134γ
γη
3.6 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Industrial de Eixo Único
GásaTurbinadaÚtilPotênciaW
WWW
útil
ctmecútil
_____
.
=
−=
•
•••
η
CompressordoPotência
TurbinadaPotência
RotativoEixonoMecânicaEficiência
W
W
c
t
mec
__
__
____
=
=
=
•
•
η
3.7 – Cálculo da Potência Útil da Turbina a Gás Aeroderivada
GásaTurbinadaÚtilPotênciaW
WW
WW
útil
tmecc
TPLmecútil
_____
.
.
=
=
=
•
••
••
η
η
CompressordoPotência
LivrePotênciadeTurbinadaPotência
GásdeGeradordoTurbinadaPotência
RotativoEixonoMecânicaEficiência
GásaTurbinadaÚtilPotência
W
W
W
W
c
TPL
t
mec
útil
__
_____
______
____
_____
=
=
=
=
=
•
•
•
η
3.8 – Cálculo da Eficiência Térmica da Turbina a Gás
•
Wη •=
Q
W
in
útil
thη
3.8 – Cálculo da Eficiência Térmica da Turbina a Gás
•
W ••
•=
Q
W
in
útil
thη PCImQ combin
.••
=
PCI = Poder Calorífico Inferior do Combustível
3.8 – Cálculo da Consumo Específico de Combustível - sfc
•• kg
=
= •
•
•
•
kWhkg
kWs
kgsfc
W
m
W
m
útil
comb
útil
comb3600.