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

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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.

- 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.

- Ciclo Brayton básico

As etapas do ciclo Brayton mais simples, ou básico, e que podem ser acompanhadas por meio do esquema s mostrado na Figura 1. O primeiro estágio do processo (1→2) é a compressão de ar que, uma vez pressurizado, segue para o(s) combustor(es), onde ocorre a queima, aqui considerada como uma absorção isobárica do calor (Qent), correspondente à quantidade de calor produzida pela combustão no processo real (estágio 2→3). Na turbina (estágio 3→4), os gases produzidos na queima passam por uma expansão, fazendo girar a turbina e produzindo trabalho mecânico. Por fim, ocorre o resfriamento isobárico do ar (4→1), correspondente à expulsão do exausto quente e à captação de novas porções de ar à temperatura ambiente.

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Figura 1. Ciclo Brayton. Fonte: HOWARD N.SHAPIRO, 7°ed.

Para realizar as estimativas pretendidas, consideramos, para todos os ciclos, valores médios típicos do processo da turbina a gás como ponto de partida. Assim, para o ar entrando no compressor, foi considerada a pressão atmosférica (1 atm), como é a situação usual, uma vez que ele é captado do meio ambiente, e a temperatura de 300 K, também um valor médio razoável, tendo em vista as condições climáticas brasileiras.

A temperatura de início da expansão (ponto 3), que é o de maior temperatura e de maior pressão no ciclo, é, em geral, fixada por considerações metalúrgicas, relativas à resistência térmica do material de que é construída a turbina, principalmente as suas palhetas (VAN WYLEN et al., 2007). Por outro lado, sabe-se que, quanto mais elevada for a temperatura dos gases de combustão na saída do combustor, maior a energia útil e a eficiência do processo (SMITH et al., 2007). A evolução da tecnologia dos materiais tem permitido a elevação dessa temperatura máxima admissível, que não chegava a 1000ºC no início dos anos 70 mas já atingia 1260ºC vinte anos depois (BATHIE, 1984).

O valor de início para T1 foi, então, de -18°C até 50, variando de 10 em 10°C segundo Lora (2004); segundo Bathie, (1984) o ar em excesso mais usado em turbinas a gás varia 0,45 ate 4. Já as pressões tiveram os seguintes valores de início: P1 = P4 = 1 atm; e P2 = P3 = 8 atm, sendo esses valores de pressões correspondentes aos valores intermediários de turbinas reais, como as turbinas em operação na Bacia de Campos (Braga, 2013). A eficiência da câmara de combustão foi de 0,825 devido ao, mas comum entre os ciclos e com sua vazão de combustível 0,04 kg/s SMITH et al., (2007). E o combustível usado para o trabalho foi o metano segundo a Petrobras, cerca de 90,16% usam o mesmo.

- Equações

As equações usadas nesta e nas demais configurações são quase todas disponíveis na vasta literatura sobre turbinas a gás, como, por exemplo, SMITH et al., (2007) e VAN WYLEN et al. (2007). Quando necessário, deduções simples foram realizadas a partir dos tratamentos matemáticos (somente algébricos) já conhecidos.

Inicialmente foi-se calculado a fração de vapor que foi dada pela Equação 1.

(1)[pic 2]

Onde:

= Fração de vapor;[pic 3]

= Umidade relativa;[pic 4]

= Pressão de saturação do ar (temperatura de entrada) [bar];[pic 5]

= Pressão atmosférica [bar].[pic 6]

Para encontrar essa pressão de saturação a temperatura de entrada, foi gerando um gráfico com valores do Shapiro (2007) para encontrar uma função de interpolação como mostra a Figura 2.

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Figura 2. Gráfico de interpolação Pressão x Temperatura.

Usa-se essa função de interpolação, para que quando o usuário digitar a pressão, obtém-se a temperatura desejada com auxilio do programa Excel.

Após calcular a fração de vapor, calcula-se o numero de mols de O2, N2, CO2 e H2Ocomo mostra as Equações 2, 3, 4 e 5.

(2)[pic 8]

(3)[pic 9]

(4)[pic