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.
Passo 1
Beleza, o enunciado diz que temos um ciclo combinado gás-vapor:
- Compressor de ar (ρ = 16, entrar a 300 K, ṁₐ = 14 kg/s).
- Câmara de combustão eleva o gás a 1500 K.
- Turbina a gás expande de volta à pressão ambiente e sai a 420 K depois de aquecer o vapor.
- No HRSG (trocador), os gases de combustão aquecem água até superaquecer a 400 °C e 10 MPa.
- O vapor expande na turbina de vapor até 15 kPa e volta à fase líquida.
Assunto: Termodinâmica de ciclos, processos isentrópicos, balanço de energia, calor específico constante e uso de tabelas de vapor. Vamos precisar das fórmulas de T2 e T4 para processos isentrópicos come constantes, entalpias de vapor nas condições dadas e do balanço de energia no HRSG.
Passo 2
Calcular temperaturas de saída do compressor e da turbina a gás supondo processos isentrópicos (
), com
e
:
- No compressor:
- Na turbina a gás (mesma razão de pressão 16, de 1,6 MPa a 0,1 MPa):
Passo 3
Determinar trabalhos do ciclo a gás:
- Trabalho da turbina a gás:
- Trabalho do compressor:
- Potência líquida do ciclo a gás:
Passo 4
Calor cedido no HRSG pelos gases de combustão (de
K a
K):
Esse calor vai para o aquecimento e superaquecer a água/vapor.
Passo 5
Determinar vazão mássica de vapor (
) igualando calor cedido ao requerido pelo fluido de trabalho:
- Água de alimentação (condensado a 15 kPa):
-
, - volume específico
. - Trabalho da bomba:
- Entalpia após bomba:
-
- Entalpia do vapor superaquecido a 10 MPa e 400 °C:
- Energia absorvida por kg de vapor:
- Então
Passo 6
Potência do ciclo de vapor:
- Turbina de vapor (expansão isentrópica 10 MPa→15 kPa):
-
. - Em 15 kPa,
, . - Qualidade ao saída:
- Entalpia de saída:
- Trabalho da turbina de vapor:
-
- Trabalho da bomba (já tínhamos ~10 kJ/kg):
- Potência líquida do ciclo de vapor:
Passo 7
Potência útil total do ciclo combinado:
Passo 8
Eficiência térmica do ciclo combinado:
- Calor de combustão (apenas no gás):
- Eficiência:
Resposta
a) Vazão mássica de vapor: ṁ_v ≈ 0,688 kg/s
b) Potência útil do ciclo combinado: ≈ 6 848 kW
c) Eficiência térmica: ≈ 68,7%
b) Potência útil do ciclo combinado: ≈ 6 848 kW
c) Eficiência térmica: ≈ 68,7%