Eficiência da turbina a gás: 5 fatos interessantes para saber

• Fórmula de eficiência da turbina a gás
• Curva de eficiência da turbina a gás
• Eficiência da turbina a gás hidrogênio
• Como calcular a eficiência da turbina a gás
• Eficiência de turbina a gás de ciclo aberto
• Questões práticas

Fórmula de eficiência da turbina a gás

As turbinas são máquinas que aproveitam a energia cinética de qualquer fluido e ajudam a convertê-la em outra forma de energia (principalmente elétrica).

As turbinas que usam gás como fluido de trabalho são chamadas de turbinas a gás. Turbinas a gás normalmente funcionam em Ciclo de brayton para alcançar o resultado desejável.

Para um ciclo de Brayton ideal (mostrado na figura abaixo), a eficiência é calculada como-

Onde, h representa o entalpia e subscrito representam o estado no ciclo de Brayton.

Eficiência da turbina É dado por-

Onde,
O subscrito s denota o estado real.

Curva de eficiência da turbina a gás

Ciclo de turbina a gás a eficiência aumenta exponencialmente até que um valor ótimo da razão de pressão seja alcançado, depois disso não há mudança significativa na eficiência. Os fatores sobre os quais o eficiência da turbina a gás depende são a temperatura de entrada, razão de pressão e razão de calor específico do fluido de trabalho.

A curva de eficiência da turbina a gás, por outro lado, aumenta lentamente. Com a temperatura de entrada mais alta, a eficiência da turbina a gás aumenta. O gráfico abaixo mostra a relação entre a temperatura de entrada e a eficiência da turbina

Eficiência da turbina a gás de hidrogênio

A necessidade de turbina de hidrogênio surge devido a preocupações ambientais. O hidrogênio como combustível é muito favorável ao meio ambiente. Essas turbinas reduzem as emissões de CO2.

O hidrogênio é misturado com o fluido de trabalho e esta combinação de mistura de hidrogênio-combustível oferece uma melhor eficiência do que usar combustível sozinho. O uso de hidrogênio em grandes quantidades é um problema devido ao seu armazenamento. Governos e empresas privadas estão trabalhando em uma saída para o transporte e armazenamento mais seguros do combustível de hidrogênio.

Como calcular a eficiência da turbina a gás

As perdas mecânicas levam a certa queda no desempenho das máquinas. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, nenhuma máquina pode fornecer 100% de eficiência.

A eficiência das turbinas a gás pode ser calculada usando as seguintes etapas-

1. Calcule a entalpia em todos os pontos do ciclo da turbina a gás.
2. Calcule o trabalho real realizado por turbina usando a fórmula-
   
   Trabalho realizado = h4-h3
   
3. Calcular real trabalho realizado pela turbina usando os valores reais de entalpia após perdas mecânicas.
4. Calcule a eficiência usando a relação-

Eficiência de turbina a gás de ciclo aberto

Um ciclo aberto é um ciclo em que o fluido de trabalho não é trazido de volta às suas condições iniciais. Em vez disso, é descartado na pia. A fórmula de eficiência de tais ciclos não muda, mas os valores mudam devido à mudança no valor das variáveis ​​que são a temperatura e as pressões.

Um exemplo de ciclo aberto de turbina a gás é mostrado abaixo-

Questões práticas

O que afeta a eficiência da turbina a gás?

A eficiência da turbina a gás depende principalmente de três fatores-

• Temperatura de entrada-
  O aumento da temperatura de entrada da turbina aumenta sua eficiência. Somando-se a isso, a diminuição da temperatura do dissipador também aumenta a eficiência das turbinas a gás, mas pode ser diminuída até as condições ambientais apenas para não criar muito efeito na eficiência.
• Relação de pressão-
  A razão de pressão P2 / P1 é uma característica importante que afeta a eficiência da turbina a gás.
• Relação de calor específico -
  A proporção de calor específico para gases ideais é de cerca de 1.4, os gases reais têm valores em torno de 1.2-1.3. Um bom fluido de trabalho deve ter um valor de razão de calor específico mais próximo do valor isentrópico que é 1.4.
  

Por que turbinas a gás têm baixa eficiência?

As turbinas a gás funcionam em ciclos de volume constante. Como os gases têm densidade mais baixa, eles precisam de trabalho extra para serem comprimidos, aumentando assim o trabalho do compressor.

A fórmula para a eficiência é dada como eficiência = trabalho realizado / calor adicionado

Conforme o trabalho realizado pelo compressor aumenta, o trabalho líquido realizado diminui, então a eficiência geral diminui. A eficiência das turbinas a gás pode ser aumentada de várias maneiras. As formas mais comuns de melhorar a eficiência das turbinas a gás são o resfriamento regenerativo, o resfriamento intermediário e o reaquecimento.

Como aumentar a eficiência da turbina a gás?

Existem várias maneiras pelas quais a eficiência de uma turbina a gás pode ser aumentada. Os fatores que afetam diretamente a eficiência são temperatura, razão de pressão e razão específica. Alterar esses valores pode afetar diretamente a eficiência.

 Portanto, as formas propostas para aumentar a eficiência incluem a alteração desses valores. Vários métodos usados ​​para aumentar a eficiência das turbinas a gás são-

• Regeneração-
  
  Neste método, o gás de exaustão é usado para aquecer o fluido de trabalho no ponto 2. Isso resulta na diminuição da temperatura do gás de exaustão e aumento na eficiência. O diagrama do ciclo regenerativo da turbina a gás e fórmula de eficiência é dado abaixo-
  

• Intercooler-
  Neste método, o trabalho do compressor é diminuído comprimindo o ar em dois estágios. O ar é resfriado antes de ir para o segundo compressor. Este resfriamento do ar entre dois estágios é chamado de resfriamento intermediário. A redução do trabalho do compressor está diretamente associada ao aumento da eficiência.
• Reaquecimento-
  Neste método, duas turbinas são usadas em vez de uma. Uma turbina é usada para produzir trabalho e outra turbina aciona o compressor. Mais calor é adicionado neste processo. Devido à diminuição do trabalho do compressor e à alta temperatura de entrada, a eficiência aumenta. O diagrama do ciclo de reaquecimento da turbina a gás é mostrado abaixo-
  

• Reaquecimento, intercooler e regeneração combinados-
  Neste método, todos os três métodos são combinados. Os custos de instalação podem disparar, mas a eficiência geral aumenta combinando os três métodos acima.

Eficiência combinada do ciclo da turbina a gás

O ciclo combinado da turbina a gás usa várias turbinas a gás trabalhando em conjunto para fornecer mais saída.

A exaustão de um único ciclo de turbina a gás ainda está quente o suficiente para poder executar outro ciclo. Normalmente um permutador de calor é usado entre a exaustão do primeiro motor e a entrada do segundo motor para usar diferentes fluidos de trabalho. A saída do segundo ciclo é menor que a do primeiro ciclo, mas a eficiência geral do ciclo combinado de turbina a gás aumenta.

O primeiro ciclo é denominado ciclo de cobertura e produz maior eficiência. O próximo ciclo é chamado de ciclo de fundo e pode ter combustível diferente (dependendo da temperatura de exaustão do primeiro ciclo) e produz menos eficiência do que o primeiro. No geral, o ciclo combinado pode produzir 50% a mais de eficiência.

A fórmula para calcular a eficiência geral do ciclo combinado da turbina a gás é fornecida abaixo