Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
MÁQUINAS TÉRMICAS
AT-101
Dr. Alan Sulato de Andrade
[email protected]
TURBINAS A GÁS
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TURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
 O desenvolvimento inicial das turbinas, ocorreu
primeiramente com as turbinas hidráulicas e vapor,
estes foram os primeiros equipamentos deste
segmento utilizados para a produção de potência, hoje
em dia é fato o avanço das turbinas a gás, sendo
estas utilizadas isoladamente ou em ciclos
combinados.
TURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
 Alguns exemplos podem ser detectados na história da
humanidade quanto a utilização dos gases quentes
como fluido de trabalho. Dentre os mais antigos, vale
destacar o exemplo de Leonardo Davinci, que por
volta de 1500 (D.C.) elaborou um esquema de um
dispositivo que poderia utilizar os gases quentes
rejeitados para uma chaminé para promover
rotacionamento de um alimento a ser assado.
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TURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
 Muito tempo depois, em 1791, um inglês chamado
John Barber, desenvolveu um equipamento que
incorporava muitos elementos de uma turbina a gás
moderna, porém utilizava um compressor alternativo.
Outros equipamentos foram desenvolvidos durante a
mesma época, mas não poderiam ser consideradas
verdadeiras turbinas a gás devido ao fato que
utilizavam vapor em um certo ponto do processo.
TURBINAS A GÁS
HISTÓRICO:
 Em 1872, Stolze desenhou a primeira turbina a gás.
Este equipamento possuía compressão em varias
etapas com fluxo axial.
 Outros desenvolvimentos foram notados após as
grandes guerras mundiais onde na Alemanha e
Inglaterra desenvolvem as primeiras turbinas para
propulsão de aviões.
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TURBINAS A GÁS
DEFINIÇÃO:
 A turbina a gás (TG) é definida como sendo uma
máquina térmica, onde a energia potencial
termodinâmica
contida
nos
gases
quentes
provenientes de uma combustão é convertida em
trabalho mecânico ou utilizada para propulsão.
Turbina a Gás
TURBINAS A GÁS
DEFINIÇÃO:
 Desta forma, as turbinas a gás são máquinas
tecnicamente muito complexas, com inúmeras partes
móveis e sofisticados sistemas de lubrificação e
controle eletrônico visando basicamente a conversão
da energia contida no combustível em potência de
eixo.
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TURBINAS A GÁS
CARACTERÍSTICAS:
 As turbinas a gás são acionadas pelos próprios gases
quentes, produto da combustão, o que dispensa a
utilização de um fluido de trabalho intermediário, como
o vapor, ou outro fluído. Isto leva a unidades mais
compactas, para os mesmos níveis de produção de
potência.
 Não apresentam uma flexibilidade em relação ao
combustível a ser utilizado, assim não se recomenda a
utilização dos que produzem resíduos sólidos (cinzas),
pois podem comprometer elementos do equipamento.
TURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
 As principais partes componentes da turbina a gás
são:
 Compressor,
 Câmara de combustão,
 Turbina,
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TURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
 As principais partes componentes da turbina a gás
são:
AR
TURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
 Outras partes são:




Linha de admissão de ar e combustível,
Carcaça,
Pás,
Difusor e linha de exaustão.
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TURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
 Esquematicamente:
Principais partes componentes de uma turbina a gás
TURBINAS A GÁS
PARTES COMPONENTES:
 Esquematicamente:
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TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 As TG’s funcionam admitindo ar em condição
ambiente ou refrigerado. O ar entra no compressor,
onde ocorre compressão adiabática com aumento de
pressão e conseqüentemente também aumento de
temperatura. Cada estágio do compressor é formado
por uma fileira de palhetas rotativas que impõem
movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma
fileira de palhetas estáticas, que converte a energia
cinética em aumento de pressão.
TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmara
de combustão, onde também é alimentado com um
combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na
combustão ocorre um aumento de temperatura a
pressão constante, produzindo um aumento de volume
do fluxo de gases.
 Estes gases quentes e pressurizados acionam a
turbina de potência, gerando trabalho mecânico.
 Depois, os gases, ainda quentes, são finalmente
liberados ainda em alta temperatura.
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TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 Nas turbinas a gás, o compressor utilizado geralmente
trabalha com fluxo axial, tipicamente com 17 ou 18
estágios de compressão. Cada estágio do compressor
é formado por uma fileira de palhetas rotativas que
impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e
uma fileira de palhetas estáticas, que utiliza a energia
cinética para compressão. O ar sai do compressor a
uma temperatura que pode variar entre 300°C e
450°C.
TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 Cerca de metade da potência produzida pela turbina
de potência é utilizada no acionamento do compressor
e o restante é a potência líquida gerada que
movimenta um gerador elétrico.
 Saindo da câmara de combustão, os gases têm
temperatura de até 1250°C. Após passar pela turbina,
os gases são liberados ainda com significante
disponibilidade energética, tipicamente a temperaturas
entre 500 e 650 celsius.
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TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e
de maior porte aproveitam este potencial através de
um segundo ciclo termodinâmico, a vapor (ou Ciclo
Rankine). Estes ciclos juntos formam um ciclo
combinado, de eficiência térmica freqüentemente
superior a 60%, ciclos simples a gás têm tipicamente
35%.
TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 Turbinas projetadas para operar em ciclo simples,
tendo em vista a eficiência térmica do ciclo, têm
temperatura de saída de gases reduzida ao máximo e
têm otimizada taxa de compressão. A taxa de
compressão é a relação entre a pressão do ar na
entrada da turbina e na saída do compressor. Por
exemplo, se o ar entra a 1 atm, e deixa o compressor
a 15 atm, a taxa de compressão é de 1:15.
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TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
 A passagem dos gases quentes gera forças, que
aplicadas às pás da turbina, determinam um momento
motor resultante, que faz girar o rotor.
Gases quentes
Rotor
Passagem dos gases quentes pela turbina
TURBINAS A GÁS
FUNCIONAMENTO:
Gases
Entrada
Turbina a Gás
Trabalho
Variação de entalpia
Variação de energia cinética
Variação de energia potencial
Gases
Saída
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TURBINAS A GÁS
UTILIZAÇÃO:
 São usadas principalmente para o acionamento de
geradores elétricos e propulsão aérea e marítima.
Principais utilizações das turbinas a gás
TURBINAS A GÁS
CLASSIFICAÇÃO:
 A classificação das turbinas a gás é normalmente feita
segundo:
 Condições de emprego (estacionária ou de
propulsão)
 Ciclo (aberto, fechado, semi-fechado)
 Outros (Arranjo, tipo de combustível, velocidade de
rotação, pressão).
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TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
 Turbinas a gás dedicadas à geração de energia
elétrica são divididas em duas principais categorias, no
que se refere à concepção. São elas as pesadas
(Heavy-duty), desenvolvidas especificamente para a
geração de energia elétrica ou propulsão naval e as
aeroderivativas, desenvolvidas a partir de projetos
anteriores dedicados a aplicações aeronáuticas.
Existem ainda as micro-turbinas (dedicadas à geração
descentralizada de energia elétrica).
TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
~
Gerador elétrico
Empuxo
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TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
 = 30%
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TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
 = 40%
TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
 = 60%
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TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
Geralmente dimensiona-se 2 TG para 1TV todas com a mesma potencia
TURBINAS A GÁS
 EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS:
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TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
TURBINAS A GÁS
CONDIÇÕES DE EMPREGO:
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TURBINAS A GÁS
CICLO TERMODINÂMICO:
 O ciclo Brayton descreve a operação de turbinas a gás
comumente empregadas na produção de energia
elétrica e na propulsão de embarcações, locomotivas e
aviões.
TURBINAS A GÁS
CICLO TERMODINÂMICO:
 Brayton
w34
w34
w12
w12
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TURBINAS A GÁS
EQUAÇÕES:
 As equações à seguir podem ser obtidas à partir do
balanço de massa e energia do volume de controle.
Para efeito de simplificação, podemos desconsiderar a
variação de energia cinética e potencial do sistema.
TURBINAS A GÁS
CICLO TERMODINÂMICO:
 Brayton
Onde:
Q
W
C
h
T

Calor adicionado ou rejeitado pelo sistema em J/kg ou kJ/kg
Trabalho realizado ou produzido pelo sistema em J/kg ou kJ/kg
Calor específico em J/kg.K ou kJl/kg.K
Entalpia do fluido utilizado em J/kg ou kJ/kg
Temperatura em K (kelvin)
Eficiência (%)
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TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON:
TURBINAS A GÁS
CICLOS:
Típico ciclo de Brayton
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TURBINAS A GÁS
CICLOS:
Ciclo regenerativo
TURBINAS A GÁS
CICLOS:
Ciclo com câmara de reaquecimento
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TURBINAS A GÁS
CICLOS:
Ciclo com inter-resfriamento
TURBINAS A GÁS
CICLOS:
Ciclo com inter-resfriamento e câmara de reaquecimento
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TURBINAS A GÁS
CICLOS:
Regeneração e múltiplos ciclos de inter-resfriamento e
câmaras de reaquecimento
TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON (Real):
 Num ciclo Brayton real, a compressão exercida pelo
compressor e a expansão na turbina não são
isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos
não são reversíveis, e a entropia se modifica durante
os processos (tende a aumentar devido a SLT). Outro
fator se trata do atrito do fluido que resulta em perda
de pressão na câmara de combustão, nos trocadores
de calor e na entrada e saída dos tubos de exaustão.
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TURBINAS A GÁS
CICLO BRAYTON REAL:
Ocorre uma derivação
do ciclo real
Eficiência de um ciclo real é menor do que a eficiência de um ciclo teórico.
TURBINAS A GÁS
CICLO DE PROPULSÃO-JATO:
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TURBINAS A GÁS
CICLO DE PROPULSÃO-JATO:
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
 Considere o ciclo que descreve um processo
industrial de geração de energia elétrica, onde uma
turbina a gás utiliza como combustível gás natural.
Calcule o rendimento térmico do processo.
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
C=0,3232 kJ/kg.K
T2= 50ºC
T3= 1000ºC
C=0,3189 kJ/kg.K
C=0,3023 kJ/kg.K
T1= 20ºC
T4= 600ºC
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
 Calcule:
 Trabalho consumido pelo compressor.
 Calor inserido no sistema pelo queimador.
 Trabalho efetuado pela turbina.
 Eficiência térmica do processo.
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
 Trabalho consumido pelo compressor (1-2)
W12=-C.(T2-T1)
 Trabalho efetuado pela turbina (3-4)
W34=C.(T3-T4)
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 1:
 Calor inserido no sistema pelo queimador (2-3)
Q23=C(T3-T2)
 Eficiência térmica do processo
 ={[Wlíquido]/Qentra} * 100
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 2:
 Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em
consideração as seguintes informações:
.
m=45 kg/s
Vs=145 m/s
Ve=8,3 m/s
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 2:
 Empuxo
T=m(Vs-Ve)
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 3:
Calcular a eficiência térmica do sistema e a razão
Wc/Wt.
C=0,3283 kJ/kg.K
T2= 160ºC
T3= 800ºC
C=0,3023 kJ/kg.K
T1= 26ºC
C=0,3198 kJ/kg.K
T4= 650ºC
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 3:
 ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100
Razão Wc/Wt = Wc/Wt
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 4:
Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e
a potencia desenvolvida pela turbina.
C=0,3331 kJ/kg.K
T2= 120ºC
T3= 650ºC
Fluxo = 3000 kg/h
C=0,3123 kJ/kg.K
T1= 20ºC
C=0,3232 kJ/kg ºC
T4= 400ºC
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 3:
 ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2)} * 100
Razão Wc/Wt = Wc/Wt
Potência = Wt * Fluxo
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 5:
Calcular a eficiência térmica do sistema (Regenerativo),
razão Wc/Wt e a potencia desenvolvida pela turbina.
Combustível
C=0,3083
T2= 90ºC 2
Trocador
de Calor
C=0,3213
2’
3 T3= 720ºC
de
T2’= 280ºC Câmara
combustão
C=0,3023
T1= 22ºC
Compressor
W (trabalho)
* C em kJ/kg.K
Saída de gases
C=0,3183
Turbina
Eixo
T4= 470ºC
1
4
Entrada de ar
Fluxo = 2200 kg/h
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 5:
 ={[C(T3-T4)-C(T2-T1)]/C(T3-T2’)} * 100
Razão Wc/Wt = Wc/Wt
Potência = Wt * Fluxo
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 6:
Calcular a eficiência térmica do sistema e o consumo de
combustível.
h3=1737,0 KJ/kg
h2=189,0 KJ/kg
h1=119,1 KJ/kg
Fluxo = 25000 kg/h
PC gás = 15000 kcal/kg
 gás = 1,3 kg/m³
h4=1575,0 KJl/kg
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 6:
 ={[(h3-h4)-(h2-h1)]/(h3-h2)} * 100
Consumo de Combustível = (CC)
CC= (Q gerado no queimador * Fluxo) / PC
CC m³= kg/h / 1,3 kg/m³
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TURBINAS A GÁS
C=0,3232
C=0,3213
Câmara de
Reaquecimento
Combustível
T3= 890ºC
3
T2= 97ºC
2
C=0,3023
5
4
Câmara de
combustão
Compressor
T5= 820ºC
T4= 670ºC
C=0,3153
Turbina 1
W (trabalho)
EXERCÍCIO 7:
Calcular a eficiência térmica do sistema, razão Wc/Wt e
a potencia desenvolvida pela turbina.
* C em KJ/kg ºC
Turbina 2
Eixo
T1= 23ºC
1
C=0,3123
Entrada de ar
C=0,3113
6
T6= 640ºC
Saída de gases
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 7:
 ={(Wt1+Wt2)-Wc}/(Qcc+Qcr)
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TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 8:
 Calcule o empuxo gerado por uma turbina levando em
consideração as seguintes informações:
m1=70 kg/s
V1=8,4 m/s
m2=85 kg/s
V2=147 m/s
V3=182 m/s
Pós-Combustão
TURBINAS A GÁS
EXERCÍCIO 8:
 Empuxo
T=m1(V2-V1)+m2(V3-V2)
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