A turbina a gás de uma usina combinada gás-vapor tem uma razão de pressão igual a 16 . Ar entra no compressor a 300 K , a uma taxa de
e é aquecido a 1500 K na câmara de combustão. Os gases de combustão que saem da turbina de gás são usados para aquecer o vapor até
a 10 MPa em um trocador de calor. Os gases de combustão deixam o trocador de calor a 420 K . O vapor que deixa a turbina é condensado a 15 kPa . Assumindo que todos os processos de compressão e de expansão são isentrópicos, determinar (a) a vazão mássica do vapor, (b) a potência útil, e © o fluxo eficiência térmica de ciclo combinado.Para o ar, suponha calor específico constante, à temperatura ambiente.
Resp.: (a) 1,275 kg / s, (b), 7819 kW , ©, 66,4 %
Resp.: (a) 1,275 kg / s, (b), 7819 kW , ©, 66,4 %
Passo 1
Beleza, aqui o que o enunciado pede: temos uma usina de ciclo combinado com turbina a gás (ciclo Brayton) que comprime o ar de 300 K a uma razão de pressão de 16, queima até 1500 K, expande de volta à pressão ambiente, e os gases de exaustão saem a 678 K e depois cedem calor até 420 K num trocador para gerar vapor. Esse vapor sai a 10 MPa e 400 °C, expande até 15 kPa (condensador) e volta ao ciclo.
Conteúdo: termodinâmica de ciclos Brayton e Rankine, processos isentrópicos, calor específico constante para o ar, propriedades do vapor em tabelas. Vamos precisar:
– Fórmula de temperatura de saída em processos isentrópicos:
;
– Trabalho de compressor/turbina:
;
– Balanço de calor no trocador:
;
– Propriedades do vapor (h, s) em tabelas para 10 MPa/400 °C e 15 kPa.
– Eficiência térmica: .
Conteúdo: termodinâmica de ciclos Brayton e Rankine, processos isentrópicos, calor específico constante para o ar, propriedades do vapor em tabelas. Vamos precisar:
– Fórmula de temperatura de saída em processos isentrópicos:
;
– Trabalho de compressor/turbina:
;
– Balanço de calor no trocador:
;
– Propriedades do vapor (h, s) em tabelas para 10 MPa/400 °C e 15 kPa.
– Eficiência térmica:
Passo 2
- Dados:
K, , , kJ/kg K, kg/s. - Temperatura na saída do compressor (isentrópico):
- Trabalho (potência) do compressor:
Passo 3
- Temperatura de entrada na turbina:
K. - Expansão isentrópica de
, mesma fórmula de expoente: - Trabalho da turbina a gás:
- Potência líquida do ciclo a gás:
Passo 4
Os gases saem da turbina a 678 K e deixam o trocador a 420 K.
Passo 5
Esse calor aquece água, bombeada a 10 MPa e superaquecida a 400 °C.
- Estado do vapor superaquecido: em 10 MPa/400 °C, tabelas dão
- Estado após expansão isentrópica até 15 kPa:
–.
– Em 15 kPa:, ⇒ qualidade
–, ⇒
- Balanço de energia no gerador de vapor:
onde o alimento chega praticamente como líquido saturado a 10 MPa (h≈200 kJ/kg). - Tomando
kJ/kg,
Passo 6
- Trabalho na turbina a vapor:
- Trabalho da bomba (líquido):
Passo 7
Passo 8
O calor de entrada no ciclo a gás (combustão) foi
Logo a eficiência total é
Resposta
(a)
kg/s
(b) kW
©
(b)
©