ANÁLISE DE TRABALHO LÍQUIDO DE UMA MODELAGEM DE COMBUSTÃO COMPLETA SOB INFLUÊNCIA DO AR DE ENTRADA E O AR EM EXCESSO

ANÁLISE DE TRABALHO LÍQUIDO DE UMA MODELAGEM DE COMBUSTÃO COMPLETA SOB INFLUÊNCIA DO AR DE ENTRADA E O AR EM EXCESSO

Bruno Loureiro Gomes, [e-mail]

Paulo Roberto Dos Anjos Martins Filho, [e-mail] 

Felipe Negris, [e-mail]

Carlos Ricardo Aguirre, [e-mail]

Marco Tulio Costa, [e-mail]

Instituto Federal do Espirito Santo, São Mateus-ES, Brasil, 29932-540

Resumo: Leia as instruções com atenção. O propósito destas instruções é servir de modelo para a formatação do trabalho de MÁQUINAS TÉRMICAS  a ser entregue dia 18/07/2016 e, após correções,  em 28/07/2016. O resumo é a ultima coisa a ser feita, deve descrever os objetivos, a metodologia e os principais resultados do trabalho em não mais de 300 palavras. Ele não deve conter nem fórmulas ou deduções matemáticas e nem citações bibliográficas. Trabalhos fora dessas normas não serão aceitos. OBS: Não modifique os espaçamentos e formatação, apenas substitua o texto e apague os textos em vermelho sem retirar os espaçamentos.  (Times New Roman, itálico, tamanho 10)

(espaço simples entre linhas, tamanho 10)

Palavras-chave: palavra 1, palavra 2, palavra 3 (até 5) (Times New Roma itálico, tamanho 10)

(espaço duplo entre linhas, tamanho 10)

1. INTRODUÇÃO

No que diz respeito aos ciclos de geração de potência, destaca-se o ciclo Brayton largamente empregado na indústria aeronáutica e de geração de energia elétrica.

No campo da geração da energia elétrica, a demanda por esse produto no Brasil e no mundo aumenta ano após ano acompanhando o crescimento da economia e da população (Operador nacional). No cenário mundial, 66,5% da energia elétrica gerada é proveniente de centrais termelétricas, por outro lado, no Brasil a geração é baseada em plantas hidrelétricas (69,7%), usinas termelétricas (27,1%), termonucleares (1,7%) e eolielétricas (1,5%) Agencia Nacional de Energia Elétrica, (2013). Percebe-se que as plantas termelétricas são o segundo método mais utilizado na geração de energia elétrica no Brasil, funcionando basicamente a partir do ciclo Brayton de geração de potência sendo composto por uma turbina, um compressor e uma câmara de combustão Çengel, (2007). As turbinas a gás tendem a ser mais compactas, isto é, tem uma maior razão potência/peso (até 70% em relação a outros motores). Por isso, elas, também, são adequadas para sistemas de transporte como aviões, navios e até mesmo transportes terrestres (Younagihara).

A turbina a gás é um sistema termodinâmico de geração de potência mecânica. Pode operar em um ciclo aberto, quando utilizado como motor de veículos terrestres, marítimo ou aéreo, ou em um ciclo fechado, quando usado em uma usina termelétrica Potter, (2003). São equipamentos máquinas extremamente sensíveis às condições climáticas, principalmente em relação à temperatura ambiente, e apresentam também alterações substanciais de rendimento térmico no caso de operação em cargas parciais Empresa de pesquisa energética (2013).

A máxima potência útil fornecida pela turbina a gás está limitada pela temperatura que o material da turbina pode suportar, associada a tecnologia de resfriamento, e a vida útil requerida. Os principais fatores que afetam o desempenho das turbinas a gás são: a eficiência dos componentes, a temperatura de entrada na turbina e a relação de pressão segundo Carvalho (2006). Pesquisas recentes indicam que o desenvolvimento de novos materiais e técnicas de resfriamento das palhetas estão permitindo temperaturas de entrada nas turbinas da ordem de 1700K Krieger G. (2001).

Outros fatores que afetam a eficiência de um ciclo Brayton são as condições do ar que alimenta o sistema e a quantidade desse ar que entra no sistema Moran (2013).

 Devido às imperfeições do processo, é necessário realizar a combustão com uma quantidade de ar acima da quantidade estequiométrica para se garantir a combustão completa. A desvantagem desse procedimento é que o ar não queimado diminui a temperatura da chama produzida pelo combustível e diminui a eficiência do processo. Assim, deve se encontrar uma quantidade de ar que seja suficiente para garantir a combustão completa, mas que não seja muito elevada e diminua o rendimento da reação Martins (2013).

Por outro lado, o ar que alimenta o ciclo Brayton é o ar ambiente. Assim, as condições ambientais como pressão, temperatura e umidade influenciam diretamente o desempenho do sistema. Uma temperatura mais baixa significa um volume específico menor, ou seja, há uma redução no trabalho de compressão. Entretanto, a redução da temperatura de entrada do ar no sistema reduzirá a temperatura de entrada na turbina para uma mesma vazão de combustível. Nessas condições o trabalho gerado na turbina será menor. A combinação desses dois efeitos determinará se temperaturas mais baixas trarão melhorarias no desempenho do sistema Lora (2004).

Diante desta problemática, desenvolve-se o objetivo deste trabalho, que é avaliar, utilizando a ferramenta computacional EXCEL, a influência que os parâmetros de quantidade de ar em excesso e temperatura do ar de alimentação terão no trabalho liquido de uma turbina a gás.

1. METODOLOGIA

Para cada uma das configurações do ciclo Brayton (a modelagem básica desse Ciclo), foram variados os parâmetros de temperatura do ar de entrada e ar em excesso. Cada parâmetro foi variado algumas vezes para acima e para abaixo, que o valor de início (considerado um valor aproximadamente típico da operação das turbinas reais) segundo literaturas, para avaliar a tendência do rendimento do ciclo a partir dessas variações. Ao ser variado um parâmetro, todos os demais foram mantidos constantes para se avaliar o efeito individual da mudança em estudo sobre a o trabalho liquido do processo. Para os cálculos, foram tomadas, na vasta bibliografia disponível sobre o assunto, as equações necessárias para todas as configurações, as quais foram introduzidas no software Microsoft Excel. A compressão e expansão foram consideradas ambos 85%  isentrópicas em todos os casos em estudo segundo literatura Ramos (2007), diz que as turbinas e compressores normalmente trabalham nessa faixa de eficiências. A seguir, são descritos os processos em cada configuração e mostradas as equações que foram utilizadas para os diversos cálculos que possibilitaram estimar o trabalho liquido, no presente artigo.