BC1309 Termodinâmica Aplicada

(1)

Universidade Federal do ABC

Profa. Dr. Jose Rubens Maiorino BC1309 Termodinâmica Aplicada BC1309 BC1309 Termodinâmica Aplicada Termodinâmica Aplicada

(2)

Ciclo Termodinâmico a Gás –

Ciclo Padrão Ar - Brayton (Turbina a Gás)

Ciclo Termodinâmico a Gás –

Ciclo Padrão Ar - Brayton (Turbina a Gás)

(3)

BC1309_Termodinâmica Aplicada Ø

ØCiclo Ciclo BraytonBrayton-- DefiniDefiniçção;ão; Ø

Ø Diagrama TDiagrama T--s para o Ciclo s para o Ciclo BraytonBrayton;; Ø

Ø BalanBalançços de Massa e Energia para um Ciclo os de Massa e Energia para um Ciclo BraytonBrayton;; Ø

ØParâmetros Principais de OperaParâmetros Principais de Operaçção;ão; Ø

Ø Ciclo Ciclo BraytonBrayton com Reaquecimento;com Reaquecimento; Ø

Ø Ciclo Ciclo BraytonBrayton Regenerativo;Regenerativo; Ø

Ø Ciclo Ciclo BraytonBrayton com Resfriamento Intermedicom Resfriamento Intermediáário.rio. Ø

ØCiclo CombinadoCiclo Combinado Ø

ØCiclo Padrão a ar para propulsão a jatoCiclo Padrão a ar para propulsão a jato Ø

ØReatores Nucleares a Alta Temperatura Refrigerados a Reatores Nucleares a Alta Temperatura Refrigerados a GasGas ConteudoConteudo

(4)

(5)

Motor a Jato

(6)

(7)

Ciclo Brayton IdealCiclo

Ciclo BraytonBrayton IdealIdeal

(8)

Ø É o ciclo ideal das turbinas a gás (não há mudança de fase).

Ø Geralmente opera em um ciclo aberto, ou como um ciclo fechado.

Ø Consiste em quatro processos internamente reversíveis:

v Compressão isoentrópica em um compressor;

v Fornecimento de calor em uma câmara de combustão (P = cte);

v Expansão isoentrópica em uma turbina;

v Rejeição de calor para o ambiente (P = cte).

(9)

BC1309_Termodinâmica Aplicada ar fresco ar fresco 1 1 2 2 33 4 4 Ciclo aberto Ciclo aberto Compressor

Compressor TurbinaTurbina Câmara de Câmara de Combustão Combustão Q Q_h_h W W

(10)

Compressor Compressor 1 1 2 2 33 4 4 Ciclo fechado Ciclo fechado Turbina Turbina Câmara de Câmara de Combustão Combustão Trocador de Trocador de Calor Calor Q Q_h_h W W

(11)

Turbina a Gás que operam segundo o ciclo Brayton(a - Aberto, b- Fechado)

(12)

Ø Ar fresco em condições ambiente entra no compressor (estado 1), onde a pressão e a temperatura são elevadas (compressão isoentrópica).

Ø O ar entra na câmara de combustão (estado 2), na qual o combustível é queimado à pressão constante.

Ø Em seguida, o ar a alta pressão e temperatura entra na turbina (estado 3), onde se expande até a pressão atmosférica, produzindo potência.

(13)

Diagrama T-sDiagrama T

Diagrama T--ss

(14)

Ciclo Brayton Ideal – Diagrama T-sCiclo

Ciclo BraytonBrayton Ideal Ideal –– Diagrama TDiagrama T--ss

T T s s 1 1 2 2 3 3 4 4 Q Q_h_h Q Q_L_L W W W

(15)

Balanço de Massa e de EnergiaBalan

Balançço de Massa e de Energiao de Massa e de Energia

(16)

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  =    + + −     + + + − ∑ ∑ = = & & & & v

v HipHipóóteses adotadas:teses adotadas:

q

qRegime permanente;Regime permanente;

q

qVariaVariaçção nula de energia cinão nula de energia cinéética e potencial;tica e potencial;

q

qComportamento de gComportamento de gáás ideal;s ideal;

q

qTroca de calor Troca de calor àà pressão constante.pressão constante.

Ø Equação de conservação da massa:

(17)

BC1309_Termodinâmica Aplicada 0 m m& _e − & _s = 0 h m h m W

Q& _vc − & _vc + & _e _e − & _s _s =

Ø Equação de conservação da massa:

Ø Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica):

e s s e s e q ) (w w ) h h q

(18)

1 1 2 2 Compressor Compressor Compressor Compressor 0 m m& ₁ − & ₂ = (T T ) 0 c m W 0 h m h m W 2 1 p C 2 2 1 1 C = − + − = − + − & & & & &

(19)

BC1309_Termodinâmica Aplicada 2 2 33 Câmara de Câmara de Combustão Combustão Câmara de Combustão Câmara de Combustão 0 m m& ₂ − & ₃ = (T T ) 0 c m Q 0 h m h m Q 3 2 p H 3 3 2 2 H = − + = − + & & & & &

(20)

3 3 4 4 Turbina Turbina Turbina Turbina 0 m m& ₃ − & ₄ = (T T ) 0 c m W 0 h m h m W 4 3 p 3 T 4 4 3 3 T = − + − = − + − & & & & &

(21)

Ciclo Brayton ldeal – Balanços de Massa e Energia

Para cada equipamento temos: Compressor: (T T ) 0 c m W 0 h m h m W 2 1 p C 2 2 1 1 C = − + − = − + − & & & & & m m m 0 m

m& ₁ − & ₂ = ⇒ & ₁ = & ₂ = &

Turbina (T T ) 0 c m W 0 h m h m W 4 3 p 3 T 4 4 3 3 T = − + − = − + − & & & & & m m m 0 m

m& ₃ − & ₄ = ⇒ & ₃ = & ₄ = &

Câmara de Combustão (T T ) 0 c m Q 0 h m h m Q 3 2 p H 3 3 2 2 H = − + = − + & & & & & m m m 0 m

m& ₂ − & ₃ = ⇒ & ₂ = & ₃ = &

(22)

) ( ) ( 1 1 1 3 1 4 T T c T T c Q Q Q W p p H L H termico − − − = − = = η

Ø Assim, é possível definir a eficiência termica de um ciclo Brayton ideal:

(23)

BC1309_Termodinâmica Aplicada 2 3 H h h m Q − = & & ( ) ( ) 3 2 1 4 2 3 p 1 4 p 2 3 1 4 H L T T T T 1 T T c T T c 1 h h h h 1 Q Q 1 − − − = − − − = − − − = − = η 1 4 L h h m Q − = & & ( ) ( )     −     − = − − − = η 1 T T T 1 T T T T T T T T T T T 1 2 3 2 1 4 1 2 3 2 2 1 4 1 1

Ø Considerando que por unidade de massa:

(24)

    =     1 2 4 3 p p p p _{e que:} k 1 k 1 2 1 2 T T p p −     =     e: k 1 k 4 3 4 3 T T p p −     =     _Logo:     =     1 2 4 3 T T T T     =     ∴ 1 4 2 3 T T T T 1 T T 1 T T 1 4 2 3 − = − Ø Considerando que:

(25)

BC1309_Termodinâmica Aplicada     −     − − = η 1 T T T 1 T T T 1 2 3 2 1 4 1     −     − − = η 1 T T T 1 T T T 1 2 3 2 2 3 1

( )

k 1 k C 2 1 R 1 1 T T 1− = − ₋ = η Onde:

Razão de pressão no compressor

1 2 C p p R =

(26)

Como aumentar a eficiência do Ciclo Brayton?

Como aumentar a eficiência do

Ciclo

(27)

Parâmetros de OperaçãoParâmetros de Opera

Parâmetros de Operaççãoão

(28)

Aumento da Razão de PressãoAumento da Razão de Pressão

Aumento da Razão de Pressão

Ø Aumento da razão de pressão do compressor:

T T

s s

(29)

Aumento da TemperaturaAumento da Temperatura

Aumento da Temperatura

BC1309_Termodinâmica Aplicada

Ø Aumento da temperatura da saída da câmara de combustão:

T T

s s

(30)

Ciclo Brayton RegenerativoCiclo

(31)

Ciclo Brayton RegenerativoCiclo

Ciclo BraytonBrayton RegenerativoRegenerativo

BC1309_Termodinâmica Aplicada 2 2 33 4 4 Compressor

Compressor TurbinaTurbina Câmara de Câmara de Combustão Combustão W W 1 1 x x y y Q Q_h_h 2 4 2 x h h h h − − = ε Regenerador Regenerador Eficiência do Eficiência do Regenerador Regenerador

(32)

(33)

Eficiência do Ciclo Regenerativo

BC1309_Termodinâmica Aplicada k k p k k k k t c t H p H p t H c t r T T P P P P T T T T T T T T T T T T T T T w w w q T T T c q T T c w q w w / 1 4 1 / 1 2 1 / 1 1 2 4 1 2 1 4 5 4 5 1 2 4 1 5 4 1 2 5 3 5 4 1 4 1 ] ) / ( 1 [ ] 1 ) / [( 1 , / / T mas, )] / ( 1 [ ] 1 ) / [( 1 1 1 T : ideal r regenerado um Para ] [ ]; [ , − − − − = − − − = = − − − = − − − = − = = → = − = − = − = η η η

(34)

Ciclo Brayton com ReaquecimentoCiclo

(35)

Ciclo Brayton com ReaquecimentoCiclo

Ciclo BraytonBrayton com Reaquecimentocom Reaquecimento

BC1309_Termodinâmica Aplicada 2 2 33 4 4 Compressor

Compressor TurbinaTurbina Câmara de Câmara de Combustão Combustão 1 1 x x Câmara de Câmara de Combustão Combustão Q Q_h_h QQhh Turbina Turbina 5 5 6 6

(36)

Ciclo Brayton com

Resfriamento Intermediário Ciclo

Ciclo BraytonBrayton com com Resfriamento Intermedi

(37)

Ciclo Brayton com ResfriamentoCiclo

Ciclo BraytonBrayton com Resfriamentocom Resfriamento

BC1309_Termodinâmica Aplicada Compressor

Compressor _Turbina_Turbina

Câmara de Câmara de Combustão Combustão W W Q Q_h_h Resfriamento Intermedi

Resfriamento Intermediááriorio

Compressor Compressor 2 2 33 44 1 1 5 5 6 6

(38)

Ciclo Brayton RealCiclo

(39)

Ciclo Brayton RealCiclo

Ciclo BraytonBrayton RealReal

T T

s s

Queda de pressão durante o fornecimento de calor Queda de pressão durante o fornecimento de calor

Queda de pressão durante a rejei

Queda de pressão durante a rejeiçção de calorão de calor Irreversibilidade Irreversibilidade gerada na turbina gerada na turbina Irreversibilidade Irreversibilidade gerada no compressor gerada no compressor

(40)

Ciclo Padrão a ar para propulsão a

jato

(41)

Reatores Nucleares a Alta

Temperatura Refrigerados a

Temperatura Refrigerados a GasGas

• Os reatores HGTR utilizam hélio como gás refrigerante, são moderados com grafite e o combustível é em forma de partículas de dióxido de urânio ou carbeto de urânio revestidas com três camadas sucessivas: a primeira de carbono pirolitico, a segunda de SiC e a terceira novamente de carbono pirolítico. Estes revestimentos garantem a contenção dos produtos de

fissão e a estabilidade das partículas de combustível até 2000°C. Estas partículas de combustível, originariamentedesenvolvidas na Alemanha, são chamadas de TRISO (TRI ISOtropic).

(42)

Tipos de Reatores de Alta

Temperatura Refrigerados a Gas

(43)

Eficiência dos HTR

(44)

Ciclo Combinado Brayton-Rankine

(45)

Eficiência do Ciclo Combinado

(46)

ExercíciosExerc

(47)

ExercíciosExerc

Exercíícioscios

1) Ar entra no compressor de um ciclo Brayton ideal, a 100 kPa e 15°C. A pressão na seção de descarga do compressor é de 1 Mpa e a temperatura máxima no ciclo é 1100ºC. Determine: a) a pressão e a temperatura em cada ponto do ciclo; b) o trabalho no compressor, na turbina e o rendimento do ciclo. Resp. a) Pressões: 1=100 kPa; 2 = 1000 kPa; 3 – 1000 kPa; 4 – 100 kPa; Temperaturas: 1 = 288 K; 2 = 556,4 K; 3 = 1373 K; 4 = 710,6 K; b) -269,3 kJ/kg; 664,7 kJ/kg; 48,24%

2) Considere uma turbina a gás em que o ar entra no compressor nas mesmas condições do exemplo anterior. Admita que as eficiências do compressor e da turbina são, respectivamente, iguais a 80% e 85%. Sabendo que a perda de carga no escoamento de ar entre o compressor e a turbina é de 15 kPa, determine o trabalho no compressor, na turbina e o rendimento do ciclo. Resp: -339,6 kJ/kg; 565,01 kJ/kg; 27,58%

3) Considere que um regenerador ideal foi incorporado ao ciclo descrito no exemplo 1. Determine o rendimento térmico do ciclo modificado. (Resp: 59,48%)