[pt] ANÁLISE TERMODINÂMICA APLICADA AO DESIGN DE TURBINAS A GÁS SOB DIFERENTES CONFIGURAÇÕES OPERACIONAIS

[en] THERMODYNAMIC ANALYSIS APPLIED TO THE DESIGN OF GAS TURBINES UNDER DIFFERENT OPERATIONAL CONFIGURATIONS

[pt] PEDRO ESTEVES GOMES

[pt] ENERGIA

[pt] EXERGIA

[pt] TURBINA A GAS

[pt] COMBUSTAO

[en] ENERGY

[en] EXERGY

[en] GAS TURBINE

[en] COMBUSTION

[pt] As turbinas a gás desempenham um papel crucial na geração de energia, impulsionando a busca por sistemas cada vez mais eficientes e que priorizem o uso de recursos renováveis para atender aos desafios ambientais e econômicos. A análise baseada na exergia se destaca como uma ferramenta eficaz para analisar o potencial de trabalho de máquinas térmicas, integrando a primeira e a segunda leis da termodinâmica. Este trabalho desenvolveu duas rotinas em MATLAB para uma análise exergética generalizada de turbinas: uma para análise de dados experimentais e outra para design considerando diferentes dados de entrada. Os resultados da comparaçao com dados da literatura apresentaram limitações devido às incertezas dos modelos de calores especificos, a queima completa de combustível e simplificação sobre a mistura ar combustível, afetando a precisão e acurácia da eficiência exergética calculada. Para o primeiro modelo, foi obtido uma eficiência exergética média de 86,4 por cento para os compressores, 93,6 por cento para as turbinas e 83 por cento para a câmara de combustão e um erro percentual médio de 3,8 por cento para os compressores, 4,02 por cento para as turbinas e 11,34 por cento para câmara de combustão. Para o segundo, foram encontrados 87,5 por cento para os compressores, 92,7 por cento para as turbinas e 82,6 por cento para a câmara de combustão e um erro percentual de 4,93 por cento para compressor, 6,99 por cento para as turbinas e 14,89 por cento para a câmara de combustão. Um caso de mistura de combustíveis (gás natural e hidrogênio) também foi avaliado para ver o comportamento do sistema ao mudar o percentual de cada combustível (passo de 20 por cento de H2) e ao injetar água. Notou-se um aumento da eficiência energética e exergética com a descarbonização do combustível. Ao introduzir um vazão de 0,7 kg/s de água no sistema, observou-se uma redução média na eficiência exergética de 0,37 por cento e na eficiência energética de 1,46 por cento mas, conseguimos também reduzir a temperatura do sistema em uma média de 28K, demonstrando que podemos controlar esse parâmetro operacional para não prejudicar o componente

[en] Gas turbines play a crucial role in energy generation, driving the pursuit of increasingly efficient systems that prioritize the use of renewable resources to address environmental and economic challenges. Exergy analysis stands out as an effective tool for analyzing the work potential of thermal machines, integrating the first and second laws of thermodynamics. This study developed two MATLAB routines for a generalized exergy analysis of turbines: one for the analysis of experimental data and another for design, considering different input parameters. The comparison with literature data revealed limitations due to uncertainties in constant heat values, incomplete fuel combustion, and air-fuel mixture modeling, which affected the precision and accuracy of the calculated exergy efficiency. For the first model, an average exergy efficiency of 86,4 per cent was obtained for compressors, 93,6 per cent for turbines, and 83% for the combustion chamber, with an average percentage error of 3,8 per cent for compressors, 4,02% for turbines, and 11,34 per cent for the combustion chamber. For the second model, the results showed 87,5 per cent for compressors, 92,7 per cent for turbines, and 82,6 per cent for the combustion chamber, with percentage errors of 4,93 per cent for compressors, 6,99 per cent for turbines, and 14,89 per cent for the combustion chamber. A case involving a fuel mixture (natural gas and hydrogen) was also evaluated to observe the system s behavior when varying the percentage of each fuel (step of 20 per cent of hydrogen) and injecting water. Decarbonization of the fuel in increased energy and exergy efficiencies. By injecting 0,7 kg/s of water into the system, a reduction in average exergy efficiency of 0,37 per cent and energy efficiency of 1,46 per cent was observed, along with an average system temperature decrease of 28K. This demonstrates the potential to control operational parameters to prevent damage to components.

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

2024-12-19

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.68867