Enunciado

Um motor de turbina a gás funciona segundo um ciclo Brayton ideal com regeneração, como mostrado na F i g .   P 9 – 109 . O regenerador é então rearranjado para que as correntes de ar dos estados   2   e   5 entrem em uma extremidade do regenerador e as correntes   3   e   6   saiam na outra extremidade (isto é, o arranjo de fluxo paralelo de um trocador de calor). Considere tal sistema quando ar entra no compressor a 100   k P a   e   20   ° C ; a razão de pressão do compressor é igual a 7 ; a temperatura máxima do ciclo é de 727   ° C ; e a diferença entre as temperaturas das correntes de ar quente e frio é de 6   ° C no final do regenerador, onde o fluxo frio deixa o regenerador. O arranjo do ciclo mostrado na figura é mais ou menos eficiente do que esse arranjo? Considere que o compressor e a turbina são isentrópicos. Trabalhe com calores específicos constantes à temperatura ambiente.

Passo 1

Oi pessoal, tudo bem? Vamos analisar essa questão.

Bom... Para esboçar o nosso ciclo em um diagrama T - s , temos que saber primeiramente se os processos de compressão e expansão serão totalmente isentrópicos ou não.

No caso os processos são totalmente isentrópicos.

O exercício nos disse que o ciclo opera com r p = 7 e que a pressão na entrada do compressor é de 100   k P a . Sabemos que a baixa pressão ocorre no processo 5 → 6 → 1 e a pressão maior no processo 2 → 3 → 4 . Portanto:

P 1 = P 5 = P 6 = 100   k P a

P 3 = P 2 = P 4 = r p ⋅ 100 = 700   k P a

Como o ar entra no compressor a 2 0   ° C , temos que:

T 1 = 20 ° C + 273 = 293   K

Sabemos também que:

A temperatura máxima do ciclo é de   727 ° C . A maior temperatura em um ciclo Brayton ocorre na entrada da turbina (estado 4 ), portanto:

T 4 = 727 ° C + 273 = 1000   K

Sabendo estes dados, temos que seu diagrama T - s é dado por:

Passo 2

Agora vamos analisar os processos:

O processo 1 → 2 é uma compressão isentrópica, logo:

T 2 T 1 = P 2 P 1 k - 1 k

Temos que:

T 2 = T 1 ⋅ P 2 P 1 k - 1 k

Logo:

T 2 = T 1 ⋅ r p k - 1 k

Substituindo os valores temos que:

T 2 = 293 ⋅ 7 1,4 - 1 1,4

T 2 = 510,88   K

Passo 3

Para a expansão 4 → 5 , temos que:

T 5 T 4 = P 5 P 4 k - 1 k

Como:

P 5 P 4 = 1 r p

Substituindo os valores, temos que:

T 5 = T 4 1 r p k - 1 k

T 5 = 1073 1 7 1,4 - 1 1,4

T 5 = 573,51   K

Sabendo que o ar quente na entrada do regenerador (trocador de calor) é representado pelo estado 5 e o ar frio na saída do mesmo é representado pelo estado 3 , e que a corrente de ar frio sai do regenerador 6   ° C mais fria do que a corrente de ar quente na sua entrada, temos que:

T 3 = T 5 - 6 ° C

Convertendo a temperatura do estado 5 para ° C , temos que:

T 3 = 573,51 - 273 - 6

T 3 = 194,51 ° C

Ou:

T 3 = 194,51 + 273 = 567,51   K

Passo 4

Fazendo o balanço energético no regenerador, temos que:

T 5 - T 6 = T 3 - T 2

T 6 = T 5 - T 3 - T 2

Substituindo os valores, temos que:

T 6 = 573,51 - 567,51 - 510,88

T 6 = 516,88   K

Passo 5

A eficiência térmica será:

η 1 = 1 - q s a i q e n t

η 1 = 1 - T 6 - T 1 T 4 - T 3

η 1 = 1 - 516,88 - 293 1000 - 567,51

η 1 = 0,4823 = 48,23 %

Passo 6

η 1 foi a eficiência encontrada para o arranjo da figura. Se fizermos o arranjo do enunciado, temos a seguinte condição:

T 3 = T 6 - 6

T 6 - T 3 = 6

Fazendo o balanço de energia novamente, temos que:

T 3 - T 2 = T 5 - T 6

T 3 + T 6 = T 5 + T 2

T 3 + T 6 = 573,51 + 510,88

T 3 + T 6 = 1084,39

Resolvendo o sistema de equações, temos que:

T 6 - T 3 + T 3 + T 6 = 6 + 1084,39

2 T 6 = 1090,39

T 6 = 545,195   K

E:

T 3 = 539,195   K

Passo 7

A eficiência térmica do segundo arranjo será:

η 2 = 1 - q s a i q e n t

η 2 = 1 - T 6 - T 1 T 4 - T 3

η 2 = 1 - 545,195 - 293 1000 - 539,195

η 2 = 0,4527 = 45,27 %

Portanto, é possível dizer que o arranjo do ciclo da F i g . 9 - 109 é mais eficiente.

Resposta

O arranjo do ciclo da F i g . 9 - 109 é mais eficiente.

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