Questões resolvidas - Engenharia de Petróleo

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A seguir será apresentada a metodologia para cada uma dessas etapas, indicando, quando necessário, as considerações realizadas. Foi utilizado como ferramenta o software EES, do qual retirou-se os resultados apresentados na sequência. Por finalidade acadêmica, algumas etapas foram também calculadas manualmente, e para agilizar o encontro das propriedades termodinâmicas, utilizou-se o software Computer-Aided Thermodynamic Tables, versão 3.

- Balanço Estequiométrico e Temperatura Adiabática da Chama

A temperatura dos gases na saída da câmara de combustão é uma variável importante do ciclo Brayton, sendo assim, fez-se necessário o cálculo da temperatura adiabática de chama. Para isto foi necessário realizar um balanço estequiométrico da queima do gás natural fornecido pela COMPAGAS que possui a seguinte composição:

Tabela 1. Composição média do gás natural distribuído pela COMPAGAS.

Elemento

Quantidade [%]

Metano

Etano

Propano

Butano e + Pesados

Nitrogênio

Dióxido de Carbono

89,11%

5,87%

1,86%

1,06%

0,91%

1,17%

Com a informação da composição do gás natural foi realizado o cálculo de balanço estequiométrico, conforme a Eq. (1).

[pic 4] (1)

Onde “a”, “b”, “c”, “e” e “f” são coeficientes estequiométricos que devem ser encontrados através do balanço da reação de combustão e nexc é um coeficiente referente à quantidade em excesso de ar teórico.

Com as informações obtidas foi realizado, através da Eq. (2), um balanço de energia na câmara de combustão para obter-se a temperatura adiabática de chama.

[pic 5] (2)

Como para nosso projeto a temperatura de entrada na turbina a gás foi estipulada como 1600 °C, decidiu-se que iríamos controlar esta temperatura variando a quantidade de excesso de ar teórico na reação de combustão. Além disso, foi considerada uma perda de 20% na temperatura adiabática de chama, que representa as perdas de energia na câmara de combustão. Com isso, a temperatura adiabática da chama necessária foi de 2000 ºC. Sabendo-se dessa necessidade, chegou-se ao excesso de ar teórico necessário.

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- Ciclo Brayton

A partir dos dados de entrada, que são a pressão e a temperatura, é possível obter a entalpia e a entropia, ambos para o ponto 1. Já no segundo ponto, por se tratar de um processo isentrópico, calcula-se a entalpia isentrópica, do ponto 2, tendo como base de que as entropias de 1 e 2, são as mesmas, seguida da entalpia real em 2, pela Eq. (3).

[pic 6] (3)

No ponto 3, por se tratar de um processo de combustão no qual a pressão é constante, ela já é então conhecida, já a temperatura de entrada da chama, que foi determinada como sendo 1600 graus Celsius, foi dimensionada a partir de pesquisas, que demonstraram que hoje, existem turbinas mais avançadas que suportam essa temperatura de entrada, como é o caso da J-series, da Mitsubishi Heavy Industries, que obteve essa marca no ano de 2011.

Existe uma tendência, de que através do avanço dos materiais empregados, as turbinas avancem no sentido de possuir cada vez mais uma maior temperatura de entrada, para que dessa forma sejam alcançados valores mais expressivos com relação a eficiência, como pode ser mostrado na Fig. (4).

[pic 7]

Figura 4. Evolução da temperatura de entrada nas turbinas a gás.

Assim, portanto, possuindo a temperatura de entrada e a pressão, obtêm-se a entalpia e entropia no ponto 3. Por se tratar de um processo isentrópico, o ponto 4, a obtenção da entalpia e da entropia, ocorre de forma análoga ao do ponto 2, e utiliza da Eq. (4), para tal objetivo.

[pic 8] (4)

Para que seja encontrada a vazão no ciclo, é necessário a utilização da Eq. (3), aonde [pic 9], é a potência da turbina, grandeza já determinada previamente, bem como as entalpias em 3 e 4.

[pic 10] (5)

- Ciclo Rankine

Para o ciclo Rankine, a partir dos dados já conhecidos, identificou-se qual a pressão em cada ponto da linha. Para facilitar a interpretação no decorrer do trabalho, criou-se uma ilustração com uma cor diferente para cada nível de pressão existente neste ciclo, conforme a Fig. (5). Nota-se que os pontos 5, 15, 16 e 17 estão na linha de alta pressão (105 bar), os pontos 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14 estão na pressão intermediária (5 bar) e os pontos 8 e 9 estão na baixa pressão (0,1 bar). Conhecendo as pressões em todos os pontos, foi necessário encontrar apenas outra propriedade para se definir completamente cada ponto.

[pic 11]

Figura 5. Diferentes níveis de pressão do ciclo Rankine.

Para o ponto 5 já se conhecia a temperatura de 600 ºC, além da pressão. Com esses dois valores, foram encontrados os valores da entalpia e entropia através da tabela termodinâmica. Para o ponto 6, primeiramente considerou-se uma expansão isentrópica, e então, sabendo do rendimento da turbina, chegou-se a entalpia real, e os demais dados do ponto 6.

Para o ponto 7 realizou-se um balanço de energia para um volume de controle na interligação entre os pontos 6, 7 e 13. A energia que sai no ponto 7 tem que ser igual a soma das energias que entram pelos pontos 6 e 13, conforme Eq. (6), onde m é a vazão mássica no respectivo ponto.

(6)[pic 12]

Na Eq. (6), a partir dos dados conhecidos pode-se relacionar a vazão mássica dos pontos 6, 7 e 13, com a vazão mássica do ponto 5, conforme as Eq. (7), (8) e