Uma planta de ciclo combinado opera com metano como combustível em regime permanente. Ar entra no compressor da turbina a gás a 100 kPa e 300 K , sendo comprimido até 1200 kPa . A eficiência isentrópica do compressor é de
. A temperatura máxima admissível dos gases na entrada da turbina (saída do compressor) é de 1400 K e a perda de carga no combustor é de 100 kPa . Os gases deixam a turbina, que tem
de eficiência isentrópica, a uma pressão de 100 kPa . Em seguida, os gases passam por um trocador de calor (Caldeira de Recuperação) conectado a um ciclo Rankine. Considere, no Ciclo Rankine, eficiências isentrópicas de
na bomba e
na turbina e uma temperatura de
no condensador. Adote 40 bar para a pressão na caldeira do ciclo Rankine e pinch-points de
na entrada do tubulão de vapor e na saída do superaquecedor. Considere um salto de
entre o préaquecedor de água e o tubulão de vapor. Nestas condições, determine:
A perda de exergia nos gases de escape (normalizada com relação à exergia do combustível);
A perda de exergia nos gases de escape (normalizada com relação à exergia do combustível);
Passo 1
Beleza, vamos fazer um combinado de termodinâmica e exergia. O enunciado fala de um ciclo a gás com compressor (ηₙ=74 %), combustão até 1400 K, turbina (ηₜ=88 %), saída a 100 kPa, e depois um recuperador/Rankine. A pergunta pede a exergia que sobra nos gases de escape, normalizada pela exergia do combustível (que a gente vai tratar como o LHV do metano).
Conteúdo:
Conteúdo:
- Relações isentrópicas de compressor e turbina (gás ideal, γ≈1,4; cₚ≈1,005 kJ/kg K)
- Exergia física de um gás ideal:
- Razão ar/combustível estequiométrica e exergia química ≈ LHV
Passo 2
Calcular a temperatura de saída do compressor (estágio 2).
- Temperatura isentrópica:
- Temperatura real usando ηₙ=0,74:
Passo 3
Calcular a temperatura de saída da turbina a gás (estágio 4).
- Relação de pressão na turbina:
kPa (1200–100 de queda no combustor) e kPa. - Temperatura isentrópica de saída:
- Temperatura real com ηₜ=0,88:
Passo 4
Exergia física por kg de gás no escape (pressão de saída = ambiente, logo só termo de temperatura):
-
K. - Entalpia e entropia (cp≈1,005 kJ/kg K, R não entra pois
): - Exergia física:
Passo 5
Converter para exergia por kg de combustível:
- Razão ar/combustível estequiométrica (CH₄+2(O₂+3,76N₂)):
Como 1 kmol CH₄=16 kg, isso dá ≈17,24 kg ar/kg CH₄. - Massa total de gás por kg de combustível ≈17,24+1=18,24 kg gás/kg CH₄.
- Exergia no escape por kg CH₄:
- Exergia química do combustível ≈ LHV ≈50 000 kJ/kg.
Passo 6
Fração de exergia perdida nos gases de escape:
Resposta
A perda de exergia nos gases de escape é de aproximadamente 7,3 % da exergia do combustível.