Ciclo Brayton Ideal
1 2 3 4 Compressor Turbina Câmara de Combustão Qh WCiclo Brayton - Diagrama T-s
T
1 2 3 4 Qh QL WCiclo Brayton Ideal
– Balanços de Massa e Energia
Equação de Conservação da Massa:
Equação de Conservação da Energia (1º Lei da Termodinâmica):
dt
dm
m
m
vc n 1 i s n 1 i e
dt
dE
gz
2
V
h
m
gz
2
V
h
m
W
Q
vc n 1 i s 2 s s s n 1 i e 2 e e e vc vc
Hipóteses adotadas: Regime permanente; Variação nula de energia cinética e potencial;
Ciclo Brayton ldeal
– Balanços de Massa e Energia
Para cada equipamento temos:
Compressor:
0
h
m
h
m
W
C
1 1
2 2
m
m
m
0
m
m
1
2
1
2
Turbina
0
h
m
h
m
W
T
3 3
4 4
m
m
m
0
m
m
3
4
3
4
Câmara de Combustão
0
h
m
h
m
Q
H
2 2
3 3
m
m
m
0
m
m
2
3
2
3
Dados:
Razão de Pressão: 10
Temperatura máxima: 1250ºC
BRAYTON SIMPLES IDEAL
Determinar a potência líquida produzida e a eficiência do mesmo.
Verificar a influência na potência líquida e na eficiência da variação da: a) razão de pressão
BRAYTON SIMPLES IDEAL
0
h
h
W
c
1
2
Balanços de massa e energia
Compressor
0
h
h
Q
H
2
3
Câmara de Combustão0
h
h
W
t
3
4
Turbina H c tQ
W
W
Eficiência de 1º LeiBRAYTON REAQUECIMENTO IDEAL
Dados:
• Razão de Pressão: 10
• Temperatura máxima: 1250ºC
• Potência da turbina T1 usada para acionar o compressor C
• Temperatura no ponto 5 igual a temperatura no ponto 3
Determinar a potência líquida produzida e a eficiência e verificar a influência na potência líquida e na eficiência da variação da: a) razão de pressão
BRAYTON REAQUECIMENTO IDEAL
Balanços de massa e energia
Compressor
0
h
h
W
3 4 1 T
Turbina T10
h
h
W
T2
5
6
Turbina T20
h
h
Q
2 3 1 H
Câmara de Combustão Pós-combustor c 2 T 1 TW
W
W
Eficiência de 1º Lei0
h
h
Q
4 5 2 H
0
h
h
W
c
1
2
BRAYTON COM INTERCOOLER IDEAL
Dados
Razão de Pressão: 10
Temperatura máxima: 1250ºC
Sem perda de pressão no Intercooler (IC) Temperatura no ponto 6 igual a do ponto 1
Determinar a potência líquida produzida e a eficiência do mesmo. Verificar a influência na potência líquida e na eficiência da variação: a) razão de pressão
0
h
h
W
C1
1
5
Balanços de energia Compressor 10
h
h
Q
L
2
5
Intercooler0
h
h
W
T
3
4
Turbina de potência 2 C 1 C TW
W
W
WL
Potência Líquida H LQ
W
Eficiência de 1º Lei
Câmara de CombustãoBRAYTON COM INTERCOOLER IDEAL
0
h
h
W
C2
5
2
Compressor 2COMBUSTÃO - CÂMARA DE COMBUSTÃO
Estequiometria da Combustão
2 2
2 2 2 2 6 2 H C 4 CHCH
y
C
H
a
*
exc
O
3
,
76
N
bCO
cH
O
dN
eO
y
6 2 4
combustível ar atmosférico produtos da combustão
4
CH
y
: fração molar de metano no combustível6 2H
C
y
: fração molar de etano no combustívela : número de moles de ar estequiométrico exc : excesso de ar estequiométrico
COMBUSTÃO - CÂMARA DE COMBUSTÃO
Estequiometria da Combustão
2 2
2 2 2 2 6 2 H C 4 CHCH
y
C
H
a
*
exc
O
3
,
76
N
bCO
cH
O
dN
eO
y
6 2 4
Balanço estequiométrico Carbono Hidrogêniob
y
y
6 2 4 C H CH
c
2
y
6
y
4
6 2 4 C H CH
Oxigênioe
2
c
b
2
exc
*
a
Estequiometria da Combustão
2 2
2 2 2 2 6 2 H C 4 CHCH
y
C
H
a
*
exc
O
3
,
76
N
bCO
cH
O
dN
eO
y
6 2 4
Balanço de Energia na Combustão
0
h
m
h
m
W
Q
e e
s s
Para a reação de combustão considera-se que:
0
Q
0
W
(não há perda de calor para o ambiente)
(não há trabalho envolvido na reação de combustão) R e e
h
H
m
(entalpia dos reagentes)
CH 2 4 2 4ar C C H 2 2 6 2 ar2
6 R T T ; N Enthalpy N molarmass * 76 , 3 T T ; O Enthalpy O molarmass exc * a Tc T ; H C Enthalpy H C molarmass y T T ; CH Enthalpy CH molarmass y H 6 2 4
2 2
2 P
2 P
2 2
2 P
2 P P T T ; O Enthalpy O molarmass * e T T ; N Enthalpy N molarmass * d T T ; O H Enthalpy O H molarmass * c T T ; CO Enthalpy CO molarmass * b H Simplificando o balanço de energia na combustão
P
R
H
H
Frações molares e mássicas dos produtos de combustão:
e
d
c
b
b
y
2 CO
e
d
c
b
d
y
2 N
e
d
c
b
e
y
2 O
e
d
c
b
c
y
H O 2
produtos
_
mol
CO
molarmass
*
b
x
CO 2 2
produtos
_
mol
O
H
molarmass
*
c
x
H O 2 2
produtos
_
mol
N
molarmass
*
d
x
N 2 2
produtos
_
mol
O
molarmass
*
e
x
O 2 2
Razão ar-combustível
exc
*
a
AC
molar
4
C H
2 6
CH molar massaH
C
molarmass
y
CH
molarmass
y
air
molarmass
76
,
3
1
AC
AC
6 2 4
COMBUSTÃO – CÂMARA DE COMBUSTÃO
Balanço de massa na câmara de combustão:
0
m
m
m
ar
c
g
ar c gm
m
m
Onde:
2 g
O g 2 N g 2 O H g 2 CO gT
T
;
O
Enthalpy
x
T
T
;
N
Enthalpy
x
T
T
;
O
H
Enthalpy
x
T
T
;
CO
Enthalpy
x
h
2 2 2 2
BRAYTON REAL – TURBINA A GÁS SIMPLES
Considere uma planta de potência a gás operando com uma turbina a gás em ciclo simples. A turbina capta ar atmosférico com pressão de 100 kPa e temperatura ambiente de 25ºC. A razão de pressão no compressor é de 18. O combustível utilizado é gás natural (composto de 90% de metano e 10% de etano em base volumétrica). O excesso de ar deve ser ajustado de modo que a temperatura máxima na entrada da turbina não exceda 1250ºC. A perda de pressão na câmara de combustão é de 10 kPa. O compressor possui eficiência isentrópica de 85% e a turbina de 92%. Determine para uma vazão mássica de combustível de 0,1 kg/s: a) a potência líquida produzida pela planta; b) a eficiência de Primeira Lei; c) a irreversibilidade gerada pela planta; d) a eficiência de Segunda Lei. A exergia química do CH4 é 831620 kJ/kmol e a do C2H6 é 1495840 kJ/kmol.
Plantas de Potência a Gás – Turbina a Gás Ciclo a gás de Reaquecimento
Considere uma planta de potência operando um ciclo de turbina a gás com reaquecimento como mostrado na figura abaixo. A razão de pressão no compressor é de 18. A máxima temperatura do ciclo é de 1250ºC. O combustível utilizado é gás natural (composto de 90% de metano e 10% de etano em base volumétrica) com vazão mássica de 0,1 kg/s. A turbina de alta produz toda a potência necessária ao compressor. Apos a turbina de alta ocorre uma segunda reação de combustão no pós-combustão. A disponibilidade de combustível para o pós-combustor é de até 50% do consumo de combustível na câmara de combustão. Com estas informações disponíveis determine: a) a eficiência de primeira lei da planta; b) a fração de irreversibilidade de cada equipamento. Considere: eficiência isentrópica do compressor de 85%; eficiência isentrópica das turbinas de 92%; perda de pressão na câmara de combustão de 10 kPa e desprezível no pós-combustor
Uma turbina a gás queimando uma mistura de 90% de metano e 10% de etano (base molar) com máxima temperatura de 1250ºC opera com razão de pressão de 18. O ciclo é equipado com um sistema de intercooler que utiliza água líquida para resfriar o ar entre os estágios de compressão até a temperatura ambiente. O sistema de intercooler opera com água líquida entrando no intercooler com 20ºC e deixando-o com 20ºC a mais. Uma torre de resfriamento opera com ar úmido entrando a 20ºC e 35% de umidade relativa e deixando a torre a 25ºC e 90% de umidade relativa e possui até 0,25 kg/s de água de reposição disponível para sua operação. Para um consumo de combustível de 0,1 kg/s determine: a) a potência líquida produzida pela planta; b) a eficiência de Primeira Lei; c) a irreversibilidade gerada pela planta; d) a eficiência de Segunda Lei.
Considere:
a razão de pressão entre os estágios de compressão é a mesma; não há perda de pressão do ar no intercooler.
Considere que a potência consumida para água de resfriamento seja: W = 0,1245 m_resf
Considere que a potência consumida para o insuflamento de ar na torre de resfriamento seja: W = 0,1406 mar – 0,04365
