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. O ciclo de turbina a gás apresenta um rendimento térmico de 37 %, quando em operação em ciclo simples, e uma produção de potência líquida de 100 MW . Na turbina a gás, ar entra no compressor a T_{A}=25{ }^{\circ} \mathrm{C}, P_{A}=100 \mathrm{kPa} e m_{a r}=315 \mathrm{~kg} / \mathrm{s}. A relação de pressões no compressor e na turbina é de 15. A temperatura na saída do combustor é de \mathrm{T}{\mathrm{C}}=1300{ }^{\circ} \mathrm{C}. 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 isentrópica 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}=3 \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 isentrópica 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) Eficiências isentrópicas do compressor e da turbina a gás; (c) Vazão em massa de ar na turbina a gás ( \mathrm{m}{\mathrm{ar}} ); (d) Entalpias em todos os pontos do ciclo a vapor ( \mathrm{h}{1}, \mathrm{~h}{2}, \mathrm{~h}{3}, \mathrm{~h}{4} ); (e) Vazão em massa de vapor d’água ( \mathrm{m}{\mathrm{vap}} ); (f) Potência líquida do ciclo combinado; (g) Rendimento térmico global do ciclo combinado. Dados: \mathrm{k}=1,4(\mathrm{ar}) ; \mathrm{Cp}{\mathrm{ar}}=1,0 \mathrm{~kJ} / \mathrm{kg} \mathrm{K}. Caso você não consiga resolver o Ciclo Brayton, considere T_{D}=565,5{ }^{\circ} \mathrm{C} para a resolução do restante da prova.
Passo 1
O enunciado descreve um ciclo combinado formado por um ciclo de turbina a gás (Brayton) acoplado a uma caldeira de recuperação (HRSG) que alimenta um ciclo a vapor (Rankine). Do ciclo a gás sabemos: eficiência térmica simples
, potência líquida
, temperatura de entrada do ar
, pressão
, relação de pressão
, temperatura de saída do combustor
, temperatura de saída do HRSG
, constantes do ar
,
. No ciclo a vapor temos: bomba com
, entrada saturada a
, saída a
, vapor superaquecido a
, turbina com
.
O que precisamos calcular:
(a) e
do ciclo a gás;
(b) eficiências isentrópicas ,
do Brayton;
(c) vazão mássica de ar ;
(d) entalpias do ciclo a vapor;
(e) vazão mássica de vapor ;
(f) potência líquida total;
(g) rendimento térmico global.
O que precisamos calcular:
(a)
(b) eficiências isentrópicas
(c) vazão mássica de ar
(d) entalpias
(e) vazão mássica de vapor
(f) potência líquida total;
(g) rendimento térmico global.
Passo 2
Calcular as temperaturas na saída do compressor e da turbina a gás via processos isentrópicos corrigidos:
- Temperatura teórica de saída do compressor (isentrópica)
- Temperatura real de saída do compressor
- Temperatura teórica de saída da turbina (isentrópica)
- Temperatura real de saída da turbina
Passo 3
Usar balanço de energia e eficiência do ciclo Brayton para obter
e
:
- Trabalho específico do compressor
- Trabalho específico da turbina
- Trabalho líquido por kg de ar
- Calor de entrada por kg
- Da eficiência térmica
:
- Do balanço de potência neta do gás
e usando ,
Resolvendo o sistema obtém-se
e
.
Substituindo em
e
:
Passo 4
Confirmar a vazão mássica de ar (caso fosse incógnita) por
Passo 5
Calcular entalpias no ciclo a vapor:
- Ponto 1 (líquido saturado a
):
- Bomba (isentropicamente
, mas real)
- Ponto 3 (vapor superaquecido a
):
tábua fornece
- Turbina (isentrópica até
):
saída real
Passo 6
Vazão mássica de vapor gerado pela HRSG:
- Calor recuperado
- Geração de vapor
Passo 7
Potência líquida do ciclo a vapor e total:
- Trabalho líquido por kg de vapor
- Potência do vapor
- Potência líquida combinada
Passo 8
Rendimento térmico global:
Calor de combustível no Brayton
Rendimento total
Resposta
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)