Numa usina termelétrica de ciclo combinado, a saída de uma turbina a gás está acoplada a uma caldeira de recuperação que gera vapor superaquecido para uma turbina a vapor. Na turbina a gás, ar ambiente entra no compressor a
T_{\mathrm{A}}=25^{\circ} \mathrm{C} e \mathrm{P}{\mathrm{A}}=100 \mathrm{kPa}. A eficiência isoentrópica do compressor é de 0,83 . A relação de pressão no compressor e na turbina é de 9 . A temperatura na saída do combustor é de \mathrm{T}{\mathrm{C}}=1000^{\circ} \mathrm{C} e a potência da turbina a gas é de 80 MW (somente turbina), com eficiência isoentrópica de 0,87 . A temperatura do ar na seção de saída da caldeira de recuperação é de \mathrm{T}{\mathrm{E}}=220^{\circ} \mathrm{C}. Os dados do ciclo a vapor d’água estão apresentados a seguir. A bomba tem eficiência isoentrópica de 0,85 , é alimentada com líquido saturado a \mathrm{P}{1}=10 \mathrm{kPa} e descarrega o líquido na pressão de \mathrm{P}{2}=2 \mathrm{MPa}. A temperatura do vapor na seção de alimentação da turbina a vapor é \mathrm{T}{3}=300^{\circ} \mathrm{C}, sendo que a eficiência isoentrópica da turbina é de 0,87 . Nestas condições, determine: (a) Temperaturas na saída do compressor (\mathrm{T}{\mathrm{B}}) e na saída da turbina (\mathrm{T}{\mathrm{D}}); (b) Vazão em massa do ar na turbina a gás ( \mathrm{m}{\mathrm{ar}} ); (c) Entalpias em todos os pontos do ciclo a vapor ( \mathrm{h}{1}, \mathrm{~h}{2}, \mathrm{~h}{3}, \mathrm{~h}{4} ); (d) Vazão em massa de vapor d’água ( \mathrm{m}{\mathrm{vap}} ); (e) Potência líquida do ciclo combinado; (f) Rendimento térmico global do ciclo combinado. Dados: \mathrm{k}=1,4(\mathrm{ar}) ; \mathrm{Cp} médio: \mathrm{Cp}_{\mathrm{ar}}=1,0 \mathrm{~kJ} / \mathrm{kg} \mathrm{K}
T_{\mathrm{A}}=25^{\circ} \mathrm{C} e \mathrm{P}{\mathrm{A}}=100 \mathrm{kPa}. A eficiência isoentrópica do compressor é de 0,83 . A relação de pressão no compressor e na turbina é de 9 . A temperatura na saída do combustor é de \mathrm{T}{\mathrm{C}}=1000^{\circ} \mathrm{C} e a potência da turbina a gas é de 80 MW (somente turbina), com eficiência isoentrópica de 0,87 . A temperatura do ar na seção de saída da caldeira de recuperação é de \mathrm{T}{\mathrm{E}}=220^{\circ} \mathrm{C}. Os dados do ciclo a vapor d’água estão apresentados a seguir. A bomba tem eficiência isoentrópica de 0,85 , é alimentada com líquido saturado a \mathrm{P}{1}=10 \mathrm{kPa} e descarrega o líquido na pressão de \mathrm{P}{2}=2 \mathrm{MPa}. A temperatura do vapor na seção de alimentação da turbina a vapor é \mathrm{T}{3}=300^{\circ} \mathrm{C}, sendo que a eficiência isoentrópica da turbina é de 0,87 . Nestas condições, determine: (a) Temperaturas na saída do compressor (\mathrm{T}{\mathrm{B}}) e na saída da turbina (\mathrm{T}{\mathrm{D}}); (b) Vazão em massa do ar na turbina a gás ( \mathrm{m}{\mathrm{ar}} ); (c) Entalpias em todos os pontos do ciclo a vapor ( \mathrm{h}{1}, \mathrm{~h}{2}, \mathrm{~h}{3}, \mathrm{~h}{4} ); (d) Vazão em massa de vapor d’água ( \mathrm{m}{\mathrm{vap}} ); (e) Potência líquida do ciclo combinado; (f) Rendimento térmico global do ciclo combinado. Dados: \mathrm{k}=1,4(\mathrm{ar}) ; \mathrm{Cp} médio: \mathrm{Cp}_{\mathrm{ar}}=1,0 \mathrm{~kJ} / \mathrm{kg} \mathrm{K}
Passo 1
O enunciado descreve um ciclo combinado com um ciclo de gás (Brayton) acoplado a um ciclo a vapor (Rankine). No ciclo de gás temos compressor com razão de pressão
e eficiência isoentrópica
, combustão que eleva a temperatura até
, e turbina com a mesma razão de pressão e eficiência isoentrópica
. O ar entra no compressor a
e
, e a turbina de gás entrega
. O gás exausto sai a
e é resfriado até
na caldeira de recuperação, gerando vapor para um ciclo a vapor que opera entre
(saturado líquido) e
, com bomba isoentópica
e turbina isoentrópica
, vapor superaquecido a
. Vamos calcular:
- Passo
: , saída do compressor. - Passo
: , saída da turbina a gás. - Passo
: vazão mássica de ar . - Passo
: entalpias do ciclo a vapor. - Passo
: vazão mássica de vapor . - Passo
: potência líquida total e rendimento térmico global.
Passo 2
No compressor o processo ideal é isoentrópico, então
Como
, vem
Passo 3
Na turbina a gás a expansão ideal até
daria
Com
obtemos
Passo 4
O trabalho bruto da turbina é
e deve igualar
. Logo
Passo 5
Ponto
: líquido saturado a
:
Bomba isoentrópica:
Ponto
: vapor a
,
(tabela superaquecido):
Expansão isoentrópica até
:
Passo 6
O calor cedido pelo gás no HRSG é
Esse calor aquece o fluido de
até
, então
Passo 7
Trabalho líquido do ciclo de gás:
Turbina a vapor:
bomba:
Potência líquida total
Calor de entrada no ciclo de gás
Rendimento global
Resposta
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f) .
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)