Turbinas a Gás: Componentes e Eficiência

a) Quais são os componentes de uma turbina a gás?

Entrada de ar, compressor, difusor, câmara de combustão e turbina.

b) De qual parâmetro depende a eficiência térmica de um ciclo Brayton?

Da relação de pressão no compressor.

c) Explique como a inclusão de um regenerador pode aumentar a eficiência térmica de um ciclo Brayton.

O regenerador aproveita o calor dos gases de exaustão da turbina para aquecer o ar comprimido antes de entrar na câmara de combustão, reduzindo a quantidade de combustível que deve ser queimada.

d) Explique como o resfriamento intermediário na compressão pode aumentar a eficiência térmica de um ciclo Brayton.

Reduz a temperatura do ar, reduzindo o volume específico do mesmo. Logo, reduz o trabalho de compressão, aumentando o trabalho líquido do ciclo, acarretando num aumento da eficiência térmica de um ciclo Brayton.

e) Com base na eficiência de Carnot, explique por que um ciclo combinado (ciclo Brayton e ciclo Rankine) tem maior eficiência térmica que estes mesmos ciclos (Brayton e Rankine) isoladamente?

Pois possui a elevada temperatura média termodinâmica de adição de calor do ciclo Brayton e a baixa temperatura média termodinâmica de rejeição de calor do ciclo de vapor.

f) Por que o aumento dos níveis de pressão na caldeira recuperativa aumenta a eficiência térmica de um ciclo combinado?

Porque quanto mais níveis de pressão, menor é a diferença de temperatura média logarítmica entre os gases da combustão e o vapor na caldeira recuperativa e, por consequência, menores serão as irreversibilidades da troca de calor e maior a eficiência.

g) O que é uma turbina a gás aeroderivativa?

É uma turbina aeronáutica que sofreu modificações para gerar energia elétrica. Essa modificação consiste em substituir o bocal de propulsão do uso aeronáutico por uma turbina livre para gerar energia elétrica.

h) Por que nas turbinas a gás estacionárias (heavy duty) têm-se geralmente uma relação de pressão menor que nas aeronáuticas, mesmo sabendo que uma maior relação de pressão aumenta a eficiência térmica?

Pois a relação de pressão aumenta a eficiência térmica no ciclo e reduz a potência líquida por unidade de massa. Logo, como a turbina a gás estacionária necessita de uma maior potência líquida por unidade de massa que a aeronáutica, a relação de pressão nela precisa ser menor.

i) Por que as turbinas a gás operam com uma vazão de ar muito maior do que aquela que seria necessária para a uma queima completa do combustível?

Porque parte do ar admitido é utilizado para controlar a temperatura na câmara de combustão e nas pás das turbinas, para que a temperatura se mantenha dentro do limite metalúrgico do material.

j) Que condições atmosféricas afetam o desempenho da turbina a gás?

Temperatura de admissão, umidade e pressão atmosférica.

k) Defina Cogeração.

É o processo de produção combinada de potência e calor.

l) Quais as vantagens da cogeração, relativamente à produção separada de potência e calor?

Aumenta a eficiência do ciclo (vantagem energética) e diminui a emissão de CO2 (vantagem ambiental).

m) “Bottoming” versus “Topping”. Qual deles é mais usual?

“Topping”: Sistema que produz trabalho e, em sequência, calor. Ex: Motor de combustão interna.

“Bottoming”: Sistema que produz calor e, em sequência, trabalho. Ex: Sistema do alto-forno da Arcelor.

n) Que tipos de turbina a vapor podem ser usados na cogeração?

Contrapressão com e sem extração e condensação com extração.

o) Onde há perda de pressão na turbina a gás?

Na câmara de combustão.

p) Porque a chaminé não pode ser tão alta?

Pois os gases podem atingir sua temperatura de orvalho, assim, precipitando-se.

q) Tipos de câmaras de combustão:

Tubular, multitubular, tuboanular e anular.

r) Classificação das caldeiras recuperativas:

• Segundo a disposição das superfícies de troca de calor: Horizontal e vertical.
• Segundo o modo de operação: Natural e forçada.
• Segundo o modo de recuperação: Com ou sem queima suplementar.
• Segundo o número de níveis de pressão: 1, 2 ou 3 níveis de pressão.

s) Vantagens da cogeração em relação ao ciclo combinado.

Mais eficiente e, além da potência, também gera calor.