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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICASATAT--101101
Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira
M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade
alansulato@ufpr.bralansulato@ufpr.br
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
� O desenvolvimento inicial das turbinas, ocorreuprimeiramente com as turbinas hidráulicas e vapor,estes foram os primeiros equipamentos destesegmento utilizados para a produção de potência, hojeem dia é fato o avanço das turbinas a gás, sendoestas utilizadas isoladamente ou em cicloscombinados.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
� Alguns exemplos podem ser detectados na história dahumanidade quanto a utilização dos gases quentescomo fluido de trabalho. Dentre os mais antigos, valedestacar o exemplo de Leonardo Davinci, que porvolta de 1500 (D.C.) elaborou um esquema de umdispositivo que poderia utilizar os gases quentesrejeitados para uma chaminé para promoverrotacionamento de um alimento a ser assado.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
� Muito tempo depois, em 1791, um inglês chamadoJohn Barber, desenvolveu um equipamento queincorporava muitos elementos de uma turbina a gásmoderna, porém utilizava um compressor alternativo.Outros equipamentos foram desenvolvidos durante amesma época, mas não poderiam ser consideradasverdadeiras turbinas a gás devido ao fato queutilizavam vapor em um certo ponto do processo.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
� Em 1872, Stolze desenhou a primeira turbina a gás.Este equipamento possuía compressão em variasetapas com fluxo axial.
� Outros desenvolvimentos foram notados após asgrandes guerras mundiais onde na Alemanha eInglaterra desenvolvem as primeiras turbinas parapropulsão de aviões.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
DEFINIÇÃO:
� A turbina a gás (TG) é definida como sendo umamáquina térmica, onde a energia potencialtermodinâmica contida nos gases quentesprovenientes de uma combustão é convertida emtrabalho mecânico ou utilizada para propulsão.
Turbina a Gás
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
DEFINIÇÃO:
� Desta forma, as turbinas a gás são máquinastecnicamente muito complexas, com inúmeras partesmóveis e sofisticados sistemas de lubrificação econtrole eletrônico visando basicamente a conversãoda energia contida no combustível em potência deeixo.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CARACTERÍSTICAS:
� As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gasesquentes, produto da combustão, o que dispensa autilização de um fluido de trabalho intermediário, comoo vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades maiscompactas, para os mesmos níveis de produção depotência.
� Não apresentam uma flexibilidade em relação aocombustível a ser utilizado, assim não se recomenda autilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas),pois podem comprometer elementos do equipamento.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
� As principais partes componentes da turbina a gássão:
� Compressor,� Câmara de combustão,� Turbina,
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
� As principais partes componentes da turbina a gássão:
AR
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
� Outras partes são:
� Linha de admissão de ar e combustível,� Carcaça,� Pás,� Difusor e linha de exaustão.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
� Esquematicamente:
Principais partes componentes de uma turbina a gás
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
� Esquematicamente:
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� As TG’s funcionam admitindo ar em condiçãoambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor,onde ocorre compressão adiabática com aumento depressão e conseqüentemente também aumento detemperatura. Cada estágio do compressor é formadopor uma fileira de palhetas rotativas que impõemmovimento ao fluxo de ar (energia cinética) e umafileira de palhetas estáticas, que converte a energiacinética em aumento de pressão.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmarade combustão, onde também é alimentado com umcombustível que pode ser gasoso ou líquido. Nacombustão ocorre um aumento de temperatura apressão constante, produzindo um aumento de volumedo fluxo de gases.
� Estes gases quentes e pressurizados acionam aturbina de potência, gerando trabalho mecânico.
� Depois, os gases, ainda quentes, são finalmenteliberados ainda em alta temperatura.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmentetrabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18estágios de compressão. Cada estágio do compressoré formado por uma fileira de palhetas rotativas queimpõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) euma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energiacinética para compressão. O ar sai do compressor auma temperatura que pode variar entre 300°C e450°C.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� Cerca de metade da potência produzida pela turbinade potência é utilizada no acionamento do compressore o restante é a potência líquida gerada quemovimenta um gerador elétrico.
� Saindo da câmara de combustão, os gases têmtemperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina,os gases são liberados ainda com significantedisponibilidade energética, tipicamente a temperaturasentre 500 e 650 celsius.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� Considerando isso, as termelétrica mais eficientes ede maior porte aproveitam este potencial através deum segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou CicloRankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo
combinado, de eficiência térmica freqüentementesuperior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente35%.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� Turbinas projetadas para operar em ciclo simples,tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têmtemperatura de saída de gases reduzida ao máximo etêm otimizada taxa de compressão. A taxa decompressão é a relação entre a pressão do ar naentrada da turbina e na saída do compressor. Porexemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressora 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
� A passagem dos gases quentes gera forças, queaplicadas às pás da turbina, determinam um momentomotor resultante, que faz girar o rotor.
Gases quentes
Rotor
Passagem dos gases quentes pela turbina
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
Turbina a Gás
GasesEntrada
GasesSaída
Variação de entalpiaVariação de energia cinéticaVariação de energia potencial
Trabalho
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
UTILIZAÇÃO:
� São usadas principalmente para o acionamento degeradores elétricos e propulsão aérea e marítima.
Principais utilizações das turbinas a gás
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CLASSIFICAÇÃO:
� A classificação das turbinas a gás é normalmente feitasegundo:� Condições de emprego (estacionária ou de
propulsão)� Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado)� Outros (Arranjo, tipo de combustível, velocidade de
rotação, pressão).
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
� Turbinas a gás dedicadas à geração de energiaelétrica são divididas em duas principais categorias, noque se refere à concepção. São elas as pesadas(Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para ageração de energia elétrica ou propulsão naval e asaeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetosanteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.Existem ainda as micro-turbinas (dedicadas à geraçãodescentralizada de energia elétrica).
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
~
Empuxo
Gerador elétrico
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
η = 30%
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
η = 40%
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
η = 60%
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
Geralmente dimensiona-se 2 TG para 1TV todas com a mesma potencia
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
� EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS:
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO TERMODINÂMICO:
� O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gáscomumente empregadas na produção de energiaelétrica e na propulsão de embarcações, locomotivas eaviões.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO TERMODINÂMICO:
� Brayton
w12
w34
w12
w34
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EQUAÇÕES:
� As equações à seguir podem ser obtidas à partir dobalanço de massa e energia do volume de controle.Para efeito de simplificação, podemos desconsiderar avariação de energia cinética e potencial do sistema.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO TERMODINÂMICO:
� Brayton
Onde:Q Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/kg ou kJ/kgW Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kJ/kgC Calor específico em J/kg.K ou kJl/kg.Kh Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kgT Temperatura em K (kelvin)η Eficiência (%)
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CICLO BRAYTON:
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLOS:
Típico ciclo de Brayton
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CICLOS:
Ciclo regenerativo
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CICLOS:
Ciclo com câmara de reaquecimento
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CICLOS:
Ciclo com inter-resfriamento
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLOS:
Ciclo com inter-resfriamento e câmara de reaquecimento
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CICLOS:
Regeneração e múltiplos ciclos de inter-resfriamento ecâmaras de reaquecimento
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON (Real):
� Num ciclo Brayton real, a compressão exercida pelocompressor e a expansão na turbina não sãoisoentrópicos. Em outras palavras, estes processosnão são reversíveis, e a entropia se modifica duranteos processos (tende a aumentar devido a SLT). Outrofator se trata do atrito do fluido que resulta em perdade pressão na câmara de combustão, nos trocadoresde calor e na entrada e saída dos tubos de exaustão.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON REAL:
Ocorre uma derivação do ciclo real
Eficiência de um ciclo real é menor do que a eficiência de um ciclo teórico.
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO DE PROPULSÃO-JATO:
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
CICLO DE PROPULSÃO-JATO:
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
� Considere o ciclo que descreve um processoindustrial de geração de energia elétrica, onde umaturbina a gás utiliza como combustível gás natural.Calcule o rendimento térmico do processo.
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EXERCÍCIO 1:
T1= 20ºCT4= 600ºC
T2= 50ºC
C=0,3232 kJ/kg.K
C=0,3023 kJ/kg.K
T3= 1000ºC
C=0,3189 kJ/kg.K
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
� Calcule:� Trabalho consumido pelo compressor.� Calor inserido no sistema pelo queimador.� Trabalho efetuado pela turbina.� Eficiência térmica do processo.
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
� Trabalho consumido pelo compressor (1-2)W12=-C.(T2-T1)
� Trabalho efetuado pela turbina (3-4)W34=C.(T3-T4)
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
� Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3)Q23=C(T3-T2)
� Eficiência térmica do processoη ={[Wlíquido]/Qentra} * 100
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EXERCÍCIO 2:
� Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando emconsideração as seguintes informações:
Ve=8,3 m/s
.m=45 kg/s
Vs=145 m/s
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 2:
� EmpuxoT=m(Vs-Ve)
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 3:Calcular a eficiência térmica do sistema e a razão
Wc/Wt.
T1= 26ºCT4= 650ºC
T2= 160ºC T3= 800ºC
C=0,3023 kJ/kg.K
C=0,3283 kJ/kg.K
C=0,3198 kJ/kg.K
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 3:
η ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100
Razão Wc/Wt = Wc/Wt
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 4:Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e
a potencia desenvolvida pela turbina.
T1= 20ºC T4= 400ºC
T2= 120ºC T3= 650ºCFluxo = 3000 kg/h
C=0,3123 kJ/kg.K
C=0,3331 kJ/kg.K
C=0,3232 kJ/kg ºC
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 3:
η ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100
Razão Wc/Wt = Wc/Wt
Potência = Wt * Fluxo
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EXERCÍCIO 5:Calcular a eficiência térmica do sistema (Regenerativo),
razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.
T4= 470ºC
T3= 720ºCT2= 90ºC
T1= 22ºC
Fluxo = 2200 kg/h
Compressor Turbina
Trocadorde Calor
Câmara decombustão
Combustível
1
2
2’3
4
W (t
raba
lho)
Eixo
Entrada de ar
Saída de gases
T2’= 280ºC
* C em kJ/kg.K
C=0,3023
C=0,3083 C=0,3213
C=0,3183
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 5:
η ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2’)} * 100
Razão Wc/Wt = Wc/Wt
Potência = Wt * Fluxo
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 6:Calcular a eficiência térmica do sistema e o consumo de
combustível.
h1=119,1 KJ/kg
Fluxo = 25000 kg/hPC gás = 15000 kcal/kg ρ gás = 1,3 kg/m³
h2=189,0 KJ/kg
h3=1737,0 KJ/kg
h4=1575,0 KJl/kg
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 6:
η ={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100
Consumo de Combustível = (CC)CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC
CC m³= kg/h / 1,3 kg/m³
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EXERCÍCIO 7:Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e
a potencia desenvolvida pela turbina.
T2= 97ºC
T1= 23ºC
Compressor Turbina 1
Câmara decombustão
Combustível
1
2
W (t
raba
lho)
Eixo
Entrada de ar Saída de gases
Turbina 2
Câmara deReaquecimento
3
4 5
6C=0,3123
T3= 890ºC
T4= 670ºCC=0,3153
T5= 820ºC
C=0,3113 T6= 640ºC
* C em KJ/kg ºC
C=0,3023
C=0,3232 C=0,3213
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 7:
η ={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr)
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TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 8:
� Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando emconsideração as seguintes informações:
V1=8,4 m/s
m1=70 kg/s
V2=147 m/s
m2=85 kg/s
V3=182 m/s
Pós-Combustão
TURBINAS A GÁSTURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 8:
� EmpuxoT=m1(V2-V1)+m2(V3-V2)
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