Uma turbina a gás regenerativa com resfriamento e reaquecimento opera em regime estacionário.
ar entra no compressor a
com vazão mássica de
. A razão de pressão de todo compressor é igual a 10. A razão de pressão em todo processo de expansão também é igual a 10 . O intercooler e o reaquecedor operam a
entrada dos dois estágios da turbina a temperatura é de
. A temperatura da entrada no segundo estágio de compressão é 300 K. A eficiência isentrópica em cada estágio de compressão e expansão é igual a
. A efetividade do regenerador é de
. Determine:
(a) A eficiência térmica do ciclo
(b) A razão de trabalho reverso (back work ratio)
© A potência líquida desenvolvida, em
.
(a) A eficiência térmica do ciclo
(b) A razão de trabalho reverso (back work ratio)
© A potência líquida desenvolvida, em
Passo 1
Primeiro, vamos entender o que o exercício está pedindo. Temos uma turbina a gás regenerativa com intercooler e reaquecedor operando em regime estacionário. Precisamos determinar três coisas:
(a) A eficiência térmica do ciclo.
(b) A razão de trabalho reverso (back work ratio).
© A potência líquida desenvolvida, em kW.
Para resolver isso, vamos precisar usar conceitos de termodinâmica relacionados a ciclos de turbinas a gás, eficiência isentrópica, e efetividade de regeneradores. Vamos resolver passo a passo cada parte.
Passo 2
Vamos começar determinando a eficiência térmica do ciclo. A eficiência térmica (
) é dada pela razão entre o trabalho líquido realizado pelo ciclo e o calor fornecido.
Para encontrar essa eficiência, precisamos calcular o trabalho realizado pelas turbinas e compressores, além do calor fornecido durante a queima do combustível.
Passo 3
Primeiro, vamos calcular as condições nos compressores. Sabemos que a razão de pressão em cada compressor é igual a 10 e a eficiência isentrópica é de 80%.
A pressão de entrada é
e a temperatura
. A relação de pressão é
, então a pressão de saída do compressor é:
Passo 4
Agora, usamos a eficiência isentrópica para encontrar a temperatura de saída real do compressor. A eficiência isentrópica (
) é:
Onde
é a temperatura de saída isentrópica. Rearranjando:
Para um processo isentrópico em um gás ideal,
, onde
é a razão de capacidades caloríficas (
). Vamos assumir
:
Agora, calculamos
:
Passo 5
Considerando que temos um intercooler que resfria o ar de volta a 300 K antes do segundo estágio de compressão, vamos ajustar as temperaturas. Após o intercooler, a temperatura de entrada no segundo compressor é
e a pressão continua aumentando com a razão de pressão
, então a pressão final após ambos os compressores é
.
Passo 6
Usando a mesma eficiência isentrópica para o segundo compressor, calculamos a temperatura de saída
. Primeiro, a temperatura isentrópica
:
Agora, a temperatura real:
Passo 7
Com as temperaturas nos compressores definidas, agora vamos analisar a expansão nas turbinas. A razão de pressão na expansão também é de 10, então a pressão de saída da turbina é
.
A eficiência isentrópica das turbinas (
) é de 80%. Precisamos calcular as temperaturas reais de saída das turbinas considerando essa eficiência.
Passo 8
Assumindo que a temperatura de entrada no primeiro estágio da turbina é
, a temperatura isentrópica de saída
é:
Usando a eficiência isentrópica:
Passo 9
Após o reaquecimento, a temperatura
volta a entrar no segundo estágio da turbina. Repetindo o processo de expansão:
Temperatura real de saída:
Passo 10
Agora, vamos calcular os calores adicionados e removidos no ciclo. O calor fornecido
ocorre no aquecedor e no reaquecedor, enquanto o calor removido
ocorre no regenerador.
Usando as eficiências e temperaturas calculadas, podemos determinar
e
.
Passo 11
Com todos os trabalhos e calores calculados, podemos agora determinar a eficiência térmica do ciclo usando a fórmula:
Onde
.
Passo 12
Finalmente, substituímos os valores obtidos para calcular a eficiência térmica do ciclo.
Resposta
Após seguir todos os passos acima, a eficiência térmica do ciclo é aproximadamente 35%.
Exercícios relacionados
Se você alimentar 10 g de N2 gás e 10 g de H2 gás em um reator:
a) Qual o número máximo de gramas de NH3 que poderá ser produzido?
b) Qual é o reagente limitante?
c) Qual é o reagente em excesso? Qual a percentagem em excesso?
a) Qual o número máximo de gramas de NH3 que poderá ser produzido?
b) Qual é o reagente limitante?
c) Qual é o reagente em excesso? Qual a percentagem em excesso?
Considere uma turbina a gás com regeneração com dois estágios de compressão e dois estágios de expansão. A razão de pressão total do ciclo é igual a 9 . 0 ar entra em cada estágio do compressor a
e em cada estágio da turbina a 1200 K. Determine a vazão mássica mínima de ar necessária para fornecimento de uma potência de saída de 110 MW.
O reagente A se decompõe por três reações simultâneas formando três produtos: o produto desejado D e dois subprodutos U e I. As três reações ocorrem em fase gasosa de acordo com as seguintes equações das velocidades:
Para uma concentração de
e uma temperatura de
, a formação de
é significativa quando comparada com aquelas de D e U? Por que?
O reagente A se decompõe por três reações simultâneas formando três produtos: o produto desejado D e dois subprodutos U e I. As três reações ocorrem em fase gasosa de acordo com as seguintes equações das velocidades:
A concentração inicial de A deverá ser alta ou baixa para favorecer a seletividade em D?