Turbinas a Gás Regenerativas com Reaquecimento e Inter-Resfriamento

Introdução

        Duas modificações da turbina a gás básica que aumentam o trabalho líquido produzido são a expansão em múltiplos estágios com reaquecimento e a compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento. Quando usadas em conjunto com a regeneração, essas modificações podem resultar em aumentos substanciais da eficiência térmica. 

Turbinas a gás Regenerativas

        A temperatura de saída de uma turbina a gás é normalmente bem acima da temperatura ambiente e como consequência, o gás quente de escape da turbina terá um potencial de uso (exergia) que seria irremediavelmente perdido se o gás fosse descarregado na sua vizinhança.

        Uma maneira de se utilizar esse potencial é por meio de um regenerador, o qual permite que o ar que a deixa o compressor possa ser preaquecido antes de entrar no combustor, reduzindo-se, dessa forma, a quantidade de combustível que deve ser queimada no combustor.

        O regenerador é um trocador de calor em contra corrente, pelo qual o gás quente de escape da turbina e o ar frio que deixa o compressor passam em direções opostas. Além também de não haver perdas de cargas por atrito em qualquer uma das correntes.

[pic 1]

                        Figura 01: Ciclo de ar padrão de turbina a gás regenerativa

        O gás de escape da turbina é resfriado do estado 4 ao estado y, enquanto o ar que sai do compressor é aquecido do estado 2 ao estado x. Assim, uma fonte externa de transferência de calor ao ciclo será necessária apenas para aumentar a temperatura do ar do estado x ao estado 3. Sendo assim, o calor adicional por unidade de massa é dado por:

[pic 2]

        O trabalho líquido por unidade de vazão em massa não é alterado pela inclusão do regenerador. Logo, já que o calor adicionado é reduzido, a eficiência térmica aumenta.

Turbinas a Gás com Reaquecimento

        A temperatura dos produtos gasosos de combustão que entram na turbina deve ser limitada, devido a razões metalúrgicas, pode-se controlar a temperatura aumentando a quantidade de ar necessária para queima do combustivo no combustor. Algumas instalações de potência a gás utilizam o excesso de ar por meio de uma turbina de múltiplos estágios com um combustor com reaquecimento entre as turbinas. Dessa forma, o trabalho líquido pode ser aumentado.  [pic 3]

                                                                                           

                        Figura 02: Expansão em dois estágios com reaquecimento

         Após a expansão do estado 3 para o estado na primeira turbina, o gás é reaquecido a pressão constante do estado ‘a´ ao estado ‘b’. A expansão é então completada na segunda turbina, do estado ‘b’ ao estado 4. No ciclo sem reaquecimento da etapa 3 irá direto para a 4’.

        Apesar do aumento do trabalho líquido do ciclo com reaquecimento em relação ao do ciclo sem reaquecimento, a eficiência térmica não necessariamente aumentaria, porque seria exigida uma maior quantidade de calor.

Compressão com Inter-Resfriamento:

          O trabalho líquido produzido por um ciclo com turbina a gás também pode ser aumentado reduzindo-se o trabalho fornecido ao compressor, o qual pode ser obtido através da compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento.

 Na prática, é difícil resfriar o fluido de trabalho simultaneamente com o processo de compressão. Alternativamente, as interações de calor e trabalho são separadas em dois processos distintos, permitindo que a compressão ocorra em estágios com trocadores de calor chamados Inter- resfriadores, que resfriam o gás entre os estágios do compressor.

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                        Figura 03: Compressão em dois estágios com inter-resfriamento

 Da imagem acima, sabe-se que:

• O processo 1-c representa uma compressão isentrópica do estado 1 para o estado c, onde a pressão é Pi .
• No processo c-d o gás é resfriado a pressão constante da temperatura Tc para Td.
• O processo d-2 é uma compressão isentrópica até o estado 2.
• A área hachurada no diagrama P-V representa a redução de trabalho que é obtida com inter-resfriamento.

         O uso de compressão em múltiplos estágios com inter-resfriamento aumenta o trabalho líquido produzido através da redução do trabalho de compressão. Porém, a compressão com inter-resfriamento, por si só, não aumentaria necessariamente a eficiência térmica do ciclo, porque a temperatura de admissão do ar no combustor seria reduzida de 2’ para 2.

         Assim, uma temperatura mais baixa na entrada do combustor exigiria uma transferência de calor adicional para atingir a temperatura de entrada desejada na turbina. No entanto, a temperatura mais baixa na saída do compressor incrementa o potencial para regeneração (maior diferencial de temperatura), de modo que, quando o inter-resfriamento é usado em conjunto com a regeneração, pode resultar em um aumento apreciável da eficiência térmica.

Turbinas a Gás Regenerativas com Reaquecimento e Inter-Resfriamento

        O reaquecimento entre estágios de turbina e o inter-resfriamento entre estágios de compressor fornecem duas vantagens importantes: o trabalho líquido produzido é aumentado e o potencial para regeneração também. Em consequência, quando reaquecimento e inter-resfriamento são usados juntamente regeneração, pode-se obter uma melhora substancial no desempenho. Um arranjo em que se incorporam reaquecimento, inter-resfriamento e regeneração é mostrado na figura abaixo. Essa turbina a gás possui dois estágios de compressão e dois estágios de turbina. O diagrama T - s indica as irreversibilidades no compressor e nos estágios do resfriador, pelo regenerador e pelos combustores não são mostradas.[pic 7]