Ciclo de Brayton com Reaquecimento, Regeneração e Intercooling. Como foi discutido, o reaquecimento e o inter-resfriamento são complementares à regeneração de calor. Engenharia Térmica
Ciclo de Brayton com reaquecimento, regeneração e inter-resfriamento
Diagrama Ts do ciclo de Brayton com reaquecimento, inter-resfriamento e regeneração de calor
Reaquecimento, Intercooling e Regeneração no Ciclo de Brayton
Como foi discutido, o reaquecimento e o inter-resfriamento são complementares à regeneração de calor . Por si só, eles não necessariamente aumentariam a eficiência térmica; no entanto, quando o inter-resfriamento ou o reaquecimento são usados em conjunto com a regeneração de calor, um aumento significativo na eficiência térmica pode ser alcançado e a produção líquida de trabalho também é aumentada. Isso requer uma turbina a gás com dois estágios de compressão e dois estágios de turbina.
Melhoria da eficiência térmica – Brayton Cycle
Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo de Brayton. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada por considerações metalúrgicas, esses métodos são:
Aumento da relação de pressão
Regeneração de calor
Reheat – Reheaters
Compressão com Intercooling
Abra o ciclo Brayton com reaquecimento e inter-resfriamento.
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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.
Em geral, aumentar a taxa de pressão é a maneira mais direta de aumentar a eficiência térmica geral de um ciclo de Brayton, porque o ciclo se aproxima do ciclo de Carnot. Engenharia Térmica
Relação de Pressão – Ciclo de Brayton – Turbina a Gás
A eficiência térmica em termos da razão de pressão do compressor (PR = p 2 / p 1 ), que é o parâmetro comumente usado:
Em geral, aumentar a taxa de pressão é a maneira mais direta de aumentar a eficiência térmica geral de um ciclo de Brayton, porque o ciclo se aproxima do ciclo de Carnot.
De acordo com o princípio de Carnot, é possível obter maiores eficiências aumentando a temperatura do gás.
Mas também há limites nas relações de pressão que podem ser usadas no ciclo. A temperatura mais alta do ciclo ocorre no final do processo de combustão e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Como de costume, considerações metalúrgicas (cerca de 1700 K) impõem limites superiores à eficiência térmica.
Ciclos Brayton ideais com diferentes taxas de pressão e a mesma temperatura de entrada da turbina.
Considere o efeito da taxa de pressão do compressor na eficiência térmica quando a temperatura de entrada da turbina estiver restrita à temperatura máxima permitida. Existem dois diagramas Ts dos ciclos de Brayton com a mesma temperatura de entrada da turbina, mas diferentes proporções de pressão do compressor na imagem. Como pode ser visto para uma temperatura de entrada de turbina fixa, a produção líquida de trabalho por ciclo (W net = W T – W C ) diminui com a razão de pressão ( Ciclo A ). Mas o ciclo A tem maior eficiência.
Por outro lado, o Ciclo B tem uma maior produção líquida de trabalho por ciclo (área delimitada no diagrama) e, portanto, o maior trabalho líquido desenvolvido por unidade de fluxo de massa. O trabalho produzido pelo ciclo vezes uma taxa de fluxo de massa através do ciclo é igual à potência produzida pela turbina a gás.
Portanto, com menos produção de trabalho por ciclo (Ciclo A), é necessária uma taxa de fluxo de massa maior (portanto, um sistema maior ) para manter a mesma produção de energia, o que pode não ser econômico. Essa é a principal consideração no projeto de turbinas a gás, pois aqui os engenheiros devem equilibrar a eficiência térmica e a compactação. Nos projetos mais comuns, a razão de pressão de uma turbina a gás varia de cerca de 11 a 16.
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A eficiência térmica do ciclo de Brayton, para o gás ideal, pode ser expressa em termos de temperatura ou razão de pressão. Em geral, a taxa de pressão é o parâmetro principal. Engenharia Térmica
Eficiência térmica do ciclo de Brayton
Em geral, a eficiência térmica , η th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q H .
A eficiência térmica , η th , representa a fração de calor , Q H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:
Takaishi, Tatsuo; Numata, Akira; Nakano, Ryouji; Sakaguchi, Katsuhiko (março de 2008). “Abordagem para motores a diesel e gás de alta eficiência” (PDF). Revisão técnica Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Página visitada em 2011-02-04.
Essa é uma fórmula muito útil, mas aqui expressamos a eficiência térmica usando a primeira lei em termos de entalpia .
Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho, Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia .
Existem expressões em termos de variáveis mais familiares, como temperatura e pressão :
dH = C p dT + V (1-aT) dp
Onde C p é a capacidade calorífica a pressão constante e α é o coeficiente de expansão térmica (cúbico). Para o gás ideal αT = 1 e, portanto:
dH = C p dT
A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:
Processo isobárico (Vdp = 0):
dH = dQ → Q = H 3 – H 2 → H 3 – H 2 = C P (T 3 – T 2 )
Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:
Processo isentrópico (dQ = 0):
dH = Vdp → W = H 4 – H 3 → H 4 – H 3 = C p (T 4 – T 3 )
A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia.
Agora, vamos assumir o ciclo de Brayton ideal que descreve o funcionamento de um motor de calor com pressão constante. Os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também seguem o ciclo de Brayton. Esse ciclo consiste em quatro processos termodinâmicos:
Ciclo de Brayton – diagrama de Ts
compressão isentrópica – o ar ambiente é aspirado para o compressor, onde é pressurizado (1 → 2). O trabalho necessário para o compressor é dado por W C = H 2 – H 1 .
adição de calor isobárico – o ar comprimido passa por uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado e o ar ou outro meio é aquecido (2 → 3). É um processo de pressão constante, já que a câmara está aberta para entrar e sair. O calor líquido adicionado é dado por Q add = H 3 – H 2
expansão isentrópica – o ar aquecido e pressurizado se expande na turbina, gasta sua energia. O trabalho realizado pela turbina é dado por W T = H 4 – H 3
rejeição de calor isobárica – o calor residual deve ser rejeitado para fechar o ciclo. O calor líquido rejeitado é dado por Q re = H 4 – H 1
Como pode ser visto, podemos descrever e calcular completamente esses ciclos (da mesma forma para o ciclo de Rankine) usando entalpias.
Eficiência térmica – Ciclo de Brayton
A eficiência térmica desse ciclo simples de Brayton, para o gás ideal, agora pode ser expressa em termos de temperatura:
Relação de Pressão – Ciclo de Brayton – Turbina a Gás
A eficiência térmica em termos da razão de pressão do compressor (PR = p 2 / p 1 ), que é o parâmetro comumente usado:
Em geral, aumentar a taxa de pressão é a maneira mais direta de aumentar a eficiência térmica geral de um ciclo de Brayton, porque o ciclo se aproxima do ciclo de Carnot.
De acordo com o princípio de Carnot, é possível obter maiores eficiências aumentando a temperatura do gás.
Mas também há limites nas relações de pressão que podem ser usadas no ciclo. A temperatura mais alta do ciclo ocorre no final do processo de combustão e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Como de costume, considerações metalúrgicas (cerca de 1700 K) impõem limites superiores à eficiência térmica.
Ciclos Brayton ideais com diferentes taxas de pressão e a mesma temperatura de entrada da turbina.
Considere o efeito da taxa de pressão do compressor na eficiência térmica quando a temperatura de entrada da turbina estiver restrita à temperatura máxima permitida. Existem dois diagramas Ts dos ciclos de Brayton com a mesma temperatura de entrada da turbina, mas diferentes proporções de pressão do compressor na imagem. Como pode ser visto para uma temperatura de entrada de turbina fixa, a produção líquida de trabalho por ciclo (W net = W T – W C ) diminui com a razão de pressão ( Ciclo A ). Mas o ciclo A tem a maior eficiência.
Por outro lado, o Ciclo B tem uma maior produção líquida de trabalho por ciclo (área delimitada no diagrama) e, portanto, o maior trabalho líquido desenvolvido por unidade de fluxo de massa. O trabalho produzido pelo ciclo vezes uma taxa de fluxo de massa através do ciclo é igual à potência produzida pela turbina a gás.
Portanto, com menos produção de trabalho por ciclo (Ciclo A), é necessária uma taxa de fluxo de massa maior (portanto, um sistema maior ) para manter a mesma produção de energia, o que pode não ser econômico. Essa é a principal consideração no projeto de turbinas a gás, pois aqui os engenheiros devem equilibrar a eficiência térmica e a compactação. Nos projetos mais comuns, a razão de pressão de uma turbina a gás varia de cerca de 11 a 16.
Melhoria da eficiência térmica – Brayton Cycle
Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo de Brayton. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada por considerações metalúrgicas, esses métodos são:
Aumento da relação de pressão
Regeneração de calor
Reheat – Reheaters
Compressão com Intercooling
Diagrama Ts do ciclo de Brayton com reaquecimento, inter-resfriamento e regeneração de calor
Reaquecimento, Intercooling e Regeneração no Ciclo de Brayton
Como foi discutido, o reaquecimento e o inter-resfriamento são complementares à regeneração de calor . Por si só, eles não necessariamente aumentariam a eficiência térmica; no entanto, quando o inter-resfriamento ou o reaquecimento são usados em conjunto com a regeneração de calor, um aumento significativo na eficiência térmica pode ser alcançado e a produção líquida de trabalho também é aumentada. Isso requer uma turbina a gás com dois estágios de compressão e dois estágios de turbina.
Eficiência isentrópica – turbina, compressor
A maioria dos dispositivos de fluxo constante (turbinas, compressores, bicos) opera em condições adiabáticas , mas não são verdadeiramente isentrópicos, mas são idealizados como isentrópicos para fins de cálculo. Definimos os parâmetros η T , η C , η N , como uma razão entre o trabalho real realizado pelo dispositivo e o trabalho por dispositivo quando operado em condições isentrópicas (no caso de turbinas). Essa relação é conhecida como eficiência isentrópica de turbina / compressor / bico .
Esses parâmetros descrevem com que eficiência uma turbina, compressor ou bico se aproxima de um dispositivo isentrópico correspondente. Este parâmetro reduz a eficiência geral e a produção do trabalho. Para turbinas, o valor de η T é tipicamente de 0,7 a 0,9 (70-90%).
O processo isentrópico é um caso especial de processos adiabáticos. É um processo adiabático reversível. Um processo isentrópico também pode ser chamado de processo de entropia constante.
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Ciclo de Brayton – pV – Diagrama Ts. O ciclo de Brayton é frequentemente plotado em um diagrama de volume de pressão (diagrama pV) e em um diagrama de temperatura-entropia (diagrama Ts). Engenharia Térmica
Ciclo de Brayton – Motor de turbina
Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos, patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Esse mecanismo térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.
Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .
É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.
Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor a quente Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, uma turbina a gás baseada no ciclo de Brayton deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot.
Uma grande turbina a gás de ciclo único normalmente produz, por exemplo, 300 megawatts de energia elétrica e tem 35 a 40% de eficiência térmica. As modernas instalações de turbinas a gás de ciclo combinado (CCGT), nas quais o ciclo termodinâmico consiste em dois ciclos de usinas de energia (por exemplo, o ciclo de Brayton e o ciclo de Rankine), podem atingir uma eficiência térmica de cerca de 55%.
Ciclo de Brayton – diagrama pV, Ts
O ciclo de Brayton é frequentemente plotado em um diagrama de volume de pressão ( diagrama pV ) e em um diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts ).
Ciclo de Brayton – diagrama de Ts
Quando plotados em um diagrama de volume de pressão , os processos isobáricos seguem as linhas isobáricas do gás (as linhas horizontais), os processos adiabáticos se movem entre essas linhas horizontais e a área delimitada pela trajetória completa do ciclo representa o trabalho total que pode ser feito durante uma operação. ciclo.
O diagrama de temperatura-entropia ( diagrama Ts) no qual o estado termodinâmico é especificado por um ponto em um gráfico com entropia (s) específica (s) como eixo horizontal e temperatura absoluta (T) como eixo vertical. Os diagramas Ts são uma ferramenta útil e comum, principalmente porque ajuda a visualizar a transferência de calor durante um processo. Para processos reversíveis (ideais), a área sob a curva Ts de um processo é o calor transferido para o sistema durante esse processo.
Diagrama Ts do ciclo de Brayton com reaquecimento e regeneraçãoDiagrama Ts do ciclo de Brayton com reaquecimento, inter-resfriamento e regeneração de calor
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Em um ciclo de Brayton ideal fechado, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos alternados com dois processos isobáricos. Engenharia Térmica
Ciclo de Brayton – Motor de turbina
Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos, patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Esse mecanismo térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.
Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .
É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.
Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor a quente Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, uma turbina a gás baseada no ciclo de Brayton deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot.
Uma grande turbina a gás de ciclo único normalmente produz, por exemplo, 300 megawatts de energia elétrica e tem 35 a 40% de eficiência térmica. As modernas instalações de turbinas a gás de ciclo combinado (CCGT), nas quais o ciclo termodinâmico consiste em dois ciclos de usinas de energia (por exemplo, o ciclo de Brayton e o ciclo de Rankine), podem atingir uma eficiência térmica de cerca de 55%.
Ciclo de Brayton – Processos
Ciclo de Brayton – Processos
Em um ciclo de Brayton ideal fechado , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos:
ciclo de Brayton fechado
Compressão isentrópica (compressão em um compressor) – O gás de trabalho (por exemplo, hélio) é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 pelo compressor (geralmente um compressor de fluxo axial). O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W C = H 2 – H 1 .
Adição de calor isobárico (em um trocador de calor) – Nesta fase (entre o estado 2 e o estado 3), há uma transferência de calor de pressão constante para o gás a partir de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para entrar e sair. Em um ciclo Brayton ideal aberto, o ar comprimido passa por uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado e o ar ou outro meio é aquecido (2 → 3). É um processo de pressão constante, já que a câmara está aberta para entrar e sair. O calor líquido adicionado é dado por Q add = H 3 – H 2
Expansão isentrópica (expansão em uma turbina) – O gás comprimido e aquecido se expande adiabaticamente do estado 3 para o estado 4 em uma turbina. O gás trabalha nos arredores (pás da turbina) e perde uma quantidade de energia interna igual ao trabalho que sai do sistema. O trabalho realizado pela turbina é dado por W T = H 4 – H 3 . Novamente a entropia permanece inalterada.
Rejeição de calor isobárica (em um trocador de calor) – Nesta fase, o ciclo é concluído por um processo de pressão constante no qual o calor é rejeitado pelo gás. A temperatura do gás de trabalho cai do ponto 4 para o ponto 1. O calor líquido rejeitado é dado por Q re = H 4 – H 1
Durante um ciclo de Brayton, o trabalho é realizado sobre o gás pelo compressor entre os estados 1 e 2 ( i sentropic compressão ). O trabalho é realizado pelo gás na turbina entre as fases 3 e 4 ( i expansão sentropic ). A diferença entre o trabalho realizado pelo gás e o trabalho realizado no gás é o trabalho líquido produzido pelo ciclo e corresponde à área delimitada pela curva do ciclo (no diagrama pV).
Como pode ser visto, é conveniente usar entalpia ou entalpia específica e expressar a primeira lei em termos de entalpia na análise desse ciclo termodinâmico. Esta forma da lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:
Processo isobárico (Vdp = 0):
dH = dQ → Q = H 2 – H 1
Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:
Um processo isentrópico é um processo termodinâmico , no qual a entropiado fluido ou gás permanece constante. Isso significa que o processo isentrópico é um caso especial de um processo adiabático no qual não há transferência de calor ou matéria. É um processo adiabático reversível . A suposição de que não há transferência de calor é muito importante, pois podemos usar a aproximação adiabática apenas em processos muito rápidos .
dH = Vdp → W = H 2 – H 1 → H 2 – H 1 = C P (T 2 – T 1 ) (para gás ideal )
Processo isentrópico do gás ideal
O processo isentrópico (um caso especial de processo adiabático) pode ser expresso com a lei dos gases ideais como:
pV κ = constante
ou
p 1 V 1 k = p 2 V 2 k
em que κ = c p / c v é a proporção de aquecimentos específicos (ou capacidades de calor ) para o gás. Um para pressão constante (c p ) e outro para volume constante (c v ) . Observe que essa razão κ = c p / c v é um fator na determinação da velocidade do som em um gás e em outros processos adiabáticos.
Processo isobárico
Um processo isobárico é um processo termodinâmico , no qual a pressão do sistema permanece constante (p = const). A transferência de calor para dentro ou para fora do sistema funciona, mas também altera a energia interna do sistema.
Como existem mudanças na energia interna (dU) e no volume do sistema (∆V), os engenheiros costumam usar a entalpia do sistema, que é definida como:
Nesta equação, dW é igual a dW = pdV e é conhecido como trabalho de fronteira . Em um processo isobárico e no gás ideal, parte do calor adicionado ao sistema será usada para realizar o trabalho e parte do calor adicionado aumentará a energia interna (aumentará a temperatura). Portanto, é conveniente usar a entalpia em vez da energia interna.
Processo isobárico (Vdp = 0):
dH = dQ → Q = H 2 – H 1
Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no sistema ou pelo mesmo.
Processo isobárico do gás ideal
O processo isobárico pode ser expresso com a lei do gás ideal como:
ou
Em um diagrama de pV , o processo ocorre ao longo de uma linha horizontal (chamada isobar) que possui a equação p = constante.
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Existem três tipos principais de ciclo de Brayton: o ciclo aberto de Brayton, o ciclo fechado de Brayton e o ciclo reverso de Brayton. Esses ciclos consistem nos mesmos processos termodinâmicos. Engenharia Térmica
Ciclo de Brayton – Motor de turbina
Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Este mecanismo térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.
Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .
É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.
Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente do que um motor reversível ( um motor térmico de Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, uma turbina a gás baseada no ciclo de Brayton deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot.
Uma grande turbina a gás de ciclo único normalmente produz, por exemplo, 300 megawatts de energia elétrica e tem 35-40% de eficiência térmica. As modernas instalações de turbinas a gás de ciclo combinado (CCGT), nas quais o ciclo termodinâmico consiste em dois ciclos de usinas (por exemplo, o ciclo de Brayton e o ciclo Rankine), podem atingir uma eficiência térmica de cerca de 55%.
Tipos de Ciclo de Brayton
Tipos de Ciclo de Brayton
Ciclo aberto de Brayton (palavras-chave)
Como a maioria das turbinas a gás é baseada no ciclo de Brayton com combustão interna (por exemplo, motores a jato), elas são baseadas no ciclo aberto de Brayton . Nesse ciclo, o ar da atmosfera ambiente é comprimido para uma pressão e temperatura mais altas pelo compressor. Na câmara de combustão, o ar é aquecido ainda mais pela queima da mistura combustível-ar no fluxo de ar. Os produtos e gases de combustão expandem-se na turbina para perto da pressão atmosférica (motores que produzem energia mecânica ou energia elétrica) ou para uma pressão exigida pelos motores a jato. O ciclo aberto de Brayton significa que os gases são descarregados diretamente na atmosfera .
Ciclo fechado de Brayton
Em um ciclo fechado de Brayton, o meio de trabalho (por exemplo, hélio) recircula no circuito e o gás expelido da turbina é reintroduzido no compressor. Nessas turbinas, geralmente é usado um trocador de calor (combustão externa) e apenas o meio limpo sem produtos de combustão viaja através da turbina elétrica. O ciclo fechado de Brayton é usado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e reatores refrigerados a gás de alta temperatura.
Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton
Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo de Brayton reverso. Seu objetivo é mover o calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, que é semelhante ao ciclo normal de Brayton, mas é conduzido ao contrário, via entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Esse tipo de ciclo é amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor. Também é amplamente utilizado na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.
ciclo Brayton abertociclo de Brayton fechadociclo reverso de Brayton
Tipos de turbinas a gás
Em geral, os motores térmicos e também as turbinas a gás são classificados de acordo com um local de combustão como:
Turbinas com combustão interna . A maioria das turbinas a gás são motores de combustão interna. Nessas turbinas, a alta temperatura é alcançada queimando a mistura combustível-ar na câmara de combustão.
Turbinas com combustão externa . Nessas turbinas, geralmente é usado um trocador de calor e apenas o meio limpo sem produtos de combustão viaja através da turbina elétrica. Como as pás da turbina não estão sujeitas a produtos de combustão, combustíveis de qualidade muito mais baixa (e, portanto, mais baratos) podem ser usados. Essas turbinas geralmente têm menor eficiência térmica do que as turbinas com combustão interna.
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Ciclo de Brayton vs Ciclo de Ericsson. O segundo ciclo da Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso múltiplo de um inter-resfriamento e reaquecimento. Engenharia Térmica
Ciclo de Brayton – Motor de turbina
Em 1872, um engenheiro americano, George Bailey Brayton, avançou no estudo de motores térmicos, patenteando um motor de combustão interna de pressão constante, inicialmente usando gás vaporizado, mas posteriormente usando combustíveis líquidos, como o querosene. Esse mecanismo térmico é conhecido como ” Motor Brayton’s Ready “ . Isso significa que o motor Brayton original usava um compressor de pistão e um expansor de pistão em vez de uma turbina a gás e um compressor de gás.
Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor com pressão constante; portanto, descrevemos sua termodinâmica pelo ciclo de Brayton . Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante .
É um dos ciclos termodinâmicos mais comuns que podem ser encontrados em usinas de turbinas a gás ou em aviões. Ao contrário do ciclo de Carnot , o ciclo de Brayton não executa processos isotérmicos , porque estes devem ser realizados muito lentamente. Em um ciclo de Brayton ideal , o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: dois processos isentrópicos (adiabáticos reversíveis) alternados com dois processos isobáricos.
Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor a quente Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta temperatura e baixa temperatura, uma turbina a gás baseada no ciclo de Brayton deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot.
Uma grande turbina a gás de ciclo único normalmente produz, por exemplo, 300 megawatts de energia elétrica e tem 35 a 40% de eficiência térmica. As modernas instalações de turbinas a gás de ciclo combinado (CCGT), nas quais o ciclo termodinâmico consiste em dois ciclos de usinas de energia (por exemplo, o ciclo de Brayton e o ciclo de Rankine), podem atingir uma eficiência térmica de cerca de 55%.
Ciclo Ericsson
Ciclo Ericsson – Diagrama Ts
O ciclo da Ericsson é nomeado em homenagem ao inventor sueco-americano John Ericsson , que projetou e construiu muitos motores térmicos exclusivos com base em vários ciclos termodinâmicos. Ele é creditado por ter inventado dois ciclos únicos de motores térmicos e pelo desenvolvimento de motores práticos com base nesses ciclos.
Seu primeiro ciclo termodinâmico “ o primeiro ciclo da Ericsson ” agora é chamado de “ciclo de Brayton”; na verdade, é o ciclo de Brayton fechado, que é comumente aplicado aos modernos motores de turbina a gás de ciclo fechado.
Ericsson Cycle vs Brayton Cycle
O segundo ciclo da Ericsson é o que agora é chamado de ciclo da Ericsson. O segundo ciclo da Ericsson é semelhante ao ciclo de Brayton, mas usa calor externo e incorpora o uso múltiplo de um inter – resfriamento e reaquecimento . De fato, é como um ciclo de Brayton com um número infinito de estágios de reaquecimento e intercooler no ciclo. Comparado ao ciclo de Brayton, que usa compressão e expansão adiabática , um ciclo ideal da Ericsson consiste em compressão e expansão isotérmicaprocessos combinados com a regeneração de calor isobárico entre eles. A aplicação de inter-resfriamento, regeneração de calor e combustão seqüencial aumenta significativamente a eficiência térmica de uma turbina; de fato, a eficiência térmica do ciclo Ericsson ideal é igual à eficiência de Carnot.
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Eficiência térmica para ciclo duplo. A eficiência térmica do ciclo duplo, ou seja, a fração de calor, QH, que é convertida em trabalho, fica entre o ciclo Otto e o diesel. Engenharia Térmica
Ciclo Diesel – Motor Diesel
O ciclo duplo , ou ciclo de pressão limitado , é um ciclo termodinâmico que combina o ciclo Otto e o ciclo Diesel . No ciclo duplo, a combustão ocorre em parte a volume constante e em parte a pressão constante. Pode ser usado para descrever motores de combustão interna. Os diagramas pressão-volume dos motores de combustão interna reais não são bem descritos pelos ciclos Otto e Diesel. Um ciclo padrão do ar que pode ser feito para aproximar mais as variações de pressão é o ciclo duplo padrão do ar. Uma abordagem mais capaz seria modelar o processo de combustão nos motores Otto e Diesel como uma combinação de dois processos de transferência de calor, um processo isocórico e outroprocesso isobárico .
Em comparação com um ciclo Otto, que assume uma adição instantânea de calor (adição isocórica de calor), em um ciclo duplo, o calor é adicionado parcialmente a volume constante e parcialmente a pressão constante. Portanto, a vantagem é que há mais tempo disponível para o combustível queimar completamente. Por outro lado, o uso de um ciclo duplo é um pouco mais complexo . A eficiência térmica situa-se entre os ciclos Otto e Diesel.
O ciclo duplo combina o ciclo Otto e o ciclo Diesel. . Nesta foto, existe um mecanismo Otto, que é acionado por uma vela de ignição em vez da própria compressão.
Motor a quatro tempos – motor Otto
Fonte: wikipedia.org, trabalho próprio da Zephyris, CC BY-SA 3.0
Eficiência térmica para ciclo duplo
Em geral, a eficiência térmica , η th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q H .
A eficiência térmica , η th , representa a fração de calor , Q H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:
Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:
Q add-1 = mc v (T 3 – T 2 )
Q add-2 = mc p (T 4 – T 3 )
Q a = mc v (t 5 – T 1 )
Portanto, a eficiência térmica para um ciclo duplo é:
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Em geral, os motores que usam o ciclo Diesel geralmente são mais eficientes do que os motores que usam o ciclo Otto. O motor diesel tem a mais alta eficiência térmica de qualquer motor de combustão prático. Engenharia Térmica
Eficiência térmica para ciclo diesel
Como o princípio de Carnot afirma que nenhum motor pode ser mais eficiente que um motor reversível ( um motor a quente Carnot ) operando entre os mesmos reservatórios de alta e baixa temperatura, o motor Diesel deve ter uma eficiência mais baixa que a eficiência de Carnot. Um típico motor automotivo a diesel opera com cerca de 30% a 35% de eficiência térmica. Cerca de 65-70% é rejeitado como calor desperdiçado sem ser convertido em trabalho útil, ou seja, trabalho entregue às rodas. Em geral, os motores que usam o ciclo Diesel geralmente são mais eficientes do que os motores que usam o ciclo Otto. O motor diesel tem a mais alta eficiência térmica de qualquer motor de combustão prático. Motores diesel de baixa velocidade(como usado em navios) pode ter uma eficiência térmica superior a 50% . O maior motor diesel do mundo atinge 51,7%.
Em geral, a eficiência térmica , η th , de qualquer motor de calor é definida como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q H .
A eficiência térmica , η th , representa a fração de calor , Q H , que é convertida em trabalho . Como a energia é conservada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e a energia não pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q H , deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como calor residual Q C no meio Ambiente. Portanto, podemos reescrever a fórmula da eficiência térmica como:
O calor absorvido ocorre durante a combustão da mistura combustível-ar, quando a faísca ocorre, aproximadamente a volume constante. Como durante um processo isocórico não há trabalho realizado pelo sistema ou sobre ele, a primeira lei da termodinâmica determina ∆U = ∆Q. Portanto, o calor adicionado e rejeitado é dado por:
Q add = mc p (T 3 – T 2 )
Q out = mc v (T 4 – T 1 )
Substituindo essas expressões pelo calor adicionado e rejeitado na expressão por eficiência térmica, obtém-se:
Essa equação pode ser reorganizada na forma com a taxa de compressão e a taxa de corte. Eficiência térmica para o ciclo Diesel:
Onde
η Diesel é a eficiência térmica máxima de um ciclo Diesel
α é a razão de corte V 3 / V 2 (ou seja, a razão de volumes no final e no início da fase de combustão)
CR é a taxa de compressão
κ = c p / c v = 1,4
É uma conclusão muito útil, pois é desejável alcançar uma alta taxa de compressão para extrair mais energia mecânica de uma determinada massa do combustível. Como concluímos na seção anterior, a eficiência térmica do ciclo Otto padrão do ar também é uma função da taxa de compressão e κ.
Quando as comparamos com as fórmulas, pode-se observar que, para uma determinada taxa de compressão (CR), o ciclo Otto será mais eficiente que o ciclo Diesel. Mas os motores a diesel geralmente são mais eficientes, pois são capazes de operar com taxas de compressão mais altas.
Nos motores Otto comuns, a taxa de compressão tem seus limites. A taxa de compressão em um motor a gasolina geralmente não será muito superior a 10: 1. Taxas de compressão mais altas sujeitarão os motores a gasolina a bater no motor, causados pela autoignição de uma mistura não queimada, se for usado combustível com classificação mais baixa de octanagem. Nos motores a diesel, há um risco mínimo de autoignição do combustível, porque os motores a diesel são motores de ignição por compressão e não há combustível no cilindro no início do curso de compressão.
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Exemplo de Ciclo Diesel – Problema com a Solução. Vamos assumir um ciclo Diesel típico. Calcule as principais características, como temperaturas, pressões, MEP e eficiência. Engenharia Térmica
Ciclo Diesel – Problema com a Solução
diagrama pV de um ciclo Diesel ideal
Ciclo Diesel – Problema com a Solução
Vamos assumir o ciclo Diesel, que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns encontrados em motores de automóveis . Um dos principais parâmetros desses motores é a mudança de volumes entre o ponto morto superior (TDC) e o ponto morto inferior (BDC). A proporção desses volumes ( V 1 / V 2 ) é conhecida como taxa de compressão . Também a relação de corte V 3 / V 2 , que é a relação dos volumes no final e no início da fase de combustão.
Neste exemplo, vamos assumir o ciclo Diesel com taxa de compressão de CR = 20: 1 e taxa de corte α = 2. O ar está a 100 kPa = 1 bar, 20 ° C (293 K) e o volume da câmara é de 500 cm³ antes do curso de compressão.
Capacidade térmica específica a pressão constante do ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c p = 1,01 kJ / kgK.
Capacidade térmica específica a um volume constante de ar à pressão atmosférica e à temperatura ambiente: c v = 0,718 kJ / kgK.
κ = c p / c v = 1,4
Calcular:
a massa de entrada de ar
a temperatura T 2
a pressão p 2
a temperatura T 3
a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar
a eficiência térmica deste ciclo
o deputado
Solução:
1)
No início dos cálculos, temos que determinar a quantidade de gás no cilindro antes do curso de compressão. Usando a lei do gás ideal, podemos encontrar a massa:
pV = mR específico T
Onde:
p é a pressão absoluta do gás
m é a massa da substância
T é a temperatura absoluta
V é o volume
R específico é a constante de gás específica, igual à constante de gás universal dividida pela massa molar (M) do gás ou mistura. Para ar seco R específico = 287,1 J.kg -1 .K -1 .
Portanto
m = p 1 V 1 / R específico T 1 = (100000 × 500 × 10 -6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 -4 kg
2)
Nesse problema, todos os volumes são conhecidos:
V 1 = V 4 = V max = 500 × 10 -6 m 3 (0,5l)
V 2 = V min = V máx / CR = 25 × 10 -6 m 3
Observe que (V max – V min ) x número de cilindros = cilindrada total do motor
Como o processo é adiabático, podemos usar a seguinte relação p, V, T para processos adiabáticos:
portanto
T 2 = T 1 . CR k – 1 = 293. 20 0,4 = 971 K
3)
Novamente, podemos usar a lei do gás ideal para encontrar a pressão no final do curso de compressão como:
P 2 = mR específico T 2 / V 2 = 5,95 x 10 -4 x 287,1 x 971/25 x 10 -6 = 6.635.000 Pa = 66,35 barra
4)
Como o processo 2 → 3 ocorre a pressão constante, a equação ideal de estado do gás fornece
T 3 = (V 3 / V 2 ) x T 2 = 1942 K
Para calcular a quantidade de calor adicionada pela queima da mistura combustível-ar, adicione Q , precisamos usar a primeira lei da termodinâmica para o processo isobárico, que afirma:
Q add = mc p (T 3 – T 2 ) = 5,95 x 10 -4 x 1010 x 971 = 583,5 J
5)
Eficiência térmica para este ciclo Diesel:
Como foi derivado na seção anterior, a eficiência térmica do ciclo Diesel é uma função da taxa de compressão, da taxa de corte e κ:
Onde
η Diesel é a eficiência térmica máxima de um ciclo Diesel
α é a razão de corte V 3 / V 2 (ou seja, a razão de volumes no final e no início da fase de combustão)
CR é a taxa de compressão
κ = c p / c v = 1,4
Para este exemplo:
η Diesel = 0,6467 = 64,7%
6)
O MEP foi definido como:
Nesta equação, o volume de deslocamento é igual a V max – V min . O trabalho líquido para um ciclo pode ser calculado usando o calor adicionado e a eficiência térmica:
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