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VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica OTIMIZAÇÃO DE UM CICLO BRAYTON IRREVERSÍVEL COM REGENERAÇÃO, INTER-RESFRIAMENTO E REAQUECIMENTO Vitor Pereira Repinaldo Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Unesp Bauru Prof. Dr. Santiago Del Rio Oliveira Orientador Depto de Engenharia Mecânica Unesp Bauru RESUMO A ampla aplicação de turbinas a gás tanto para a geração estacionária de potência quanto para sua utilização em meios de transporte a tornam um importante objeto de estudo na área de otimização de ciclos motores. Portanto, a busca por melhores desempenhos destas plantas de potência é o objetivo deste trabalho, que utiliza os conceitos da termodinâmica de tempo finito para a realização da otimização. Uma modelagem matemática é então desenvolvida para um ciclo Brayton irreversível adicionando processos de regeneração, inter-resfriamento e reaquecimento. As irreversibilidades são provenientes da resistência térmica nos trocadores de calor, das perdas de carga nas tubulações, do comportamento não isentrópico dos processos adiabáticos de expansão e compressão e do vazamento de calor para a fonte fria. O ciclo é otimizado através da maximização da função ecológica, a qual é alcançada pela busca de valores ótimos para as temperaturas do ciclo e para as razões de pressão do primeiro estágio de compressão e do segundo estágio de expansão. As vantagens da utilização do regenerador, inter-resfriador e reaquecedor são apresentadas, através da comparação com ciclos que não incorporam um ou mais destes processos. Os resultados da otimização são comparados com os da maximização da potência e é concluído que o ponto de máxima função ecológica apresenta grandes vantagens com relação a taxa de geração de entropia e a eficiência térmica, ao custo de uma pequena perda na potência. PALAVRAS-CHAVE: Ciclo Brayton, Otimização ecológica, Termodinâmica de tempo finito. 1 INTRODUÇÃO Ciclo Brayton é o ciclo termodinâmico ideal utilizado para a análise de turbinas a gás. Sua utilidade varia desde a geração estacionária de potência até a aplicações na área de transporte, além de também apresentar uma vantajosa relação entre alta potência gerada e baixo peso de maquinário. Devido a sua alta aplicabilidade a busca pela melhoria de seu desempenho tem sido assunto de diversos trabalhos, com destaque às otimizações baseadas na termodinâmica de tempo finito. Curzon e Ahlborn (1975) realizaram um dos primeiros estudos desta área, encontrando que a eficiência térmica de um ciclo de Carnot endorreversível operando em máxima potência é igual a H L T T 1 . Bejan (1988) estudou a distribuição ótima da condutância entre trocadores de calor para um ciclo Brayton quando maximizada a potência e introduziu um modelo para quantificar o vazamento de calor. Ibrahim et al. (1991) otimizaram

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VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

OTIMIZAÇÃO DE UM CICLO BRAYTON IRREVERSÍVEL COM

REGENERAÇÃO, INTER-RESFRIAMENTO E REAQUECIMENTO

Vitor Pereira Repinaldo

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Santiago Del Rio Oliveira

Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

RESUMO

A ampla aplicação de turbinas a gás tanto para a geração estacionária de potência quanto

para sua utilização em meios de transporte a tornam um importante objeto de estudo na área

de otimização de ciclos motores. Portanto, a busca por melhores desempenhos destas plantas

de potência é o objetivo deste trabalho, que utiliza os conceitos da termodinâmica de tempo

finito para a realização da otimização. Uma modelagem matemática é então desenvolvida para

um ciclo Brayton irreversível adicionando processos de regeneração, inter-resfriamento e

reaquecimento. As irreversibilidades são provenientes da resistência térmica nos trocadores de

calor, das perdas de carga nas tubulações, do comportamento não isentrópico dos processos

adiabáticos de expansão e compressão e do vazamento de calor para a fonte fria. O ciclo é

otimizado através da maximização da função ecológica, a qual é alcançada pela busca de

valores ótimos para as temperaturas do ciclo e para as razões de pressão do primeiro estágio

de compressão e do segundo estágio de expansão. As vantagens da utilização do regenerador,

inter-resfriador e reaquecedor são apresentadas, através da comparação com ciclos que não

incorporam um ou mais destes processos. Os resultados da otimização são comparados com

os da maximização da potência e é concluído que o ponto de máxima função ecológica

apresenta grandes vantagens com relação a taxa de geração de entropia e a eficiência térmica,

ao custo de uma pequena perda na potência.

PALAVRAS-CHAVE: Ciclo Brayton, Otimização ecológica, Termodinâmica de tempo

finito.

1 INTRODUÇÃO

Ciclo Brayton é o ciclo termodinâmico ideal utilizado para a análise de turbinas a

gás. Sua utilidade varia desde a geração estacionária de potência até a aplicações na área de

transporte, além de também apresentar uma vantajosa relação entre alta potência gerada e

baixo peso de maquinário. Devido a sua alta aplicabilidade a busca pela melhoria de seu

desempenho tem sido assunto de diversos trabalhos, com destaque às otimizações baseadas na

termodinâmica de tempo finito.

Curzon e Ahlborn (1975) realizaram um dos primeiros estudos desta área,

encontrando que a eficiência térmica de um ciclo de Carnot endorreversível operando em

máxima potência é igual a HL TT1 . Bejan (1988) estudou a distribuição ótima da

condutância entre trocadores de calor para um ciclo Brayton quando maximizada a potência e

introduziu um modelo para quantificar o vazamento de calor. Ibrahim et al. (1991) otimizaram

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a potência de saída para os ciclos de Carnot e Brayton considerando tanto reservatórios

térmicos com taxas de capacitância térmicas finitas quanto infinitas. Wu e Kiang (1991)

estudaram os efeitos de se incorporar processos não-isoentrópicos de expansão e compressão

na otimização da potência de saída de um ciclo Brayton. Chen (1994) observou que ao

adicionar outros tipos de irreversibilidades, além da resistência térmica entre fluido de

trabalho e reservatórios, aparece um ponto de máximo para a eficiência térmica que apresenta

uma quantidade finita de potência, ao contrário dos ciclos endorreversíveis de Curzon e

Ahlborn (1975).

Angulo-Brown (1991) introduziu um critério ecológico, gLSTWE , para a

otimização de um ciclo de Carnot, onde W é a potência de saída e gS é a taxa de geração de

entropia, e obteve que a eficiência sob condições de máxima função ecológica é próximo da

média entre a eficiência de Carnot e a eficiência de Curzon e Ahlborn (1975). Yan (1993)

sugeriu que a função ecológica proposta faria mais sentido se a expressão fosse

gSTWE 0 , para o caso de que a temperatura do reservatório frio LT fosse diferente da do

ambiente 0T , e esta modificação foi aceita pelos autores subsequentes. A função ecológica foi

utilizada para a otimização de um ciclo Brayton endorreversível por Cheng e Chen (1998).

Ust et al. (2005) também utilizou este critério para a a análise de um motor térmico Brayton

com regeneração. Em todos os estudos observou-se que este tipo de otimização leva a maiores

eficiências térmicas junto a menores taxas de geração de entropia, ao custo de uma pequena

queda de potência, quando comparado com o mesmo ciclo operando sob condições de

potência máxima. A utilização de modificações no ciclo Brayton também é de grande importância na

melhoria do desempenho de um ciclo Brayton e, portanto, muito utilizada em conjunto com os

conceitos de otimização da termodinâmica de tempo finito. Haseli (2013) otimizou um ciclo

Brayton regenerativo, só que, diferente dos outros trabalhos, utilizou como critério uma

eficiência de segunda lei modificada. Wang et al. (2005) otimizou a potência de saída de um

ciclo Brayton com regeneração e inter-resfriamento acoplado com reservatórios térmicos de

temperatura variável, além de também realizar uma distribuição ótima do inventário para

trocadores de calor. Também relacionado a estes tipos de reservatórios, Tyagi et al. (2006)

realizaram uma análise termodinâmica para um ciclo Brayton com regeneração, inter-

resfriamento e reaquecimento, otimizando analiticamente a potência de saída e a eficiência

térmica para o motor térmico. Sánchez-Orgaz et al. (2010) modelaram e otimizaram um ciclo

Brayton incorporando esta mesmas modificações, porém com um número arbitrário de

compressores e turbinas.

Neste trabalho, o critério de maximização da potência de saída é utilizado para

melhorar o desempenho de um ciclo irreversível Brayton, com regeneração, inter-resfriamento

e reaquecimento, através de parâmetros de projeto ótimos. A análise será efetuada de forma a

demonstrar o efeito da adição destes processos no desempenho do ciclo, além da comparação

dos resultados deste tipo de otimização com os da maximização da potência. Desta forma, o

trabalho busca mostrar os benefícios trazidos tanto pela otimização da potência quanto pela

adição do regenerador, do inter-resfriador e do reaquecedor.

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2 METODOLOGIA

O caminho percorrido pelas propriedades do fluido de trabalho desta planta de

potência é demonstrado no diagrama T-s apresentado pela Figura 1 para um ciclo Brayton

irreversível regenerativo com reaquecimento e inter-resfriamento. No processo 1-2 o fluido de

trabalho entra no primeiro compressor no estado 1 e sofre uma compressão adiabática

irreversível até alcançar o estado 2, com o processo 1-2s representando o processo realizado

idealmente, ou seja, isoentrópica.

O próximo processo 2-3 representa a rejeição de calor 2LQ do fluido de trabalho para

um reservatório térmico a temperatura constante LT durante o inter-resfriamento entre os

compressores. Assim como no processo 1-2, o processo 3-4 é uma compressão adiabática

irreversível com o ponto 4s indicando o estado da saída do segundo compressor se o processo

fosse realizado de maneira isoentrópica.

O fluido de trabalho entra então no regenerador no estado 4 e sofre um processo de

aquecimento até o estado 4R devido a troca de calor com os gases de exaustão que saem da

turbina de baixa pressão. Esta taxa de transferência de calor é dada por RQ .

5

6S

6

7

8S

8

8R

4R

1

2

2S

3

4S

4T

s

1LQ2LQ

2HQ

IQ

HT

LT

1HQ

Figura 1 – Diagrama T-s de um ciclo Brayton irreversível regenerativo com

reaquecimento e inter-resfriamento

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A partir do estado 4R ocorre um processo de adição de calor 1HQ , fornecido pelo

reservatório térmico a uma temperatura constante HT , até o fluido de trabalho alcançar o

estado 5. No processo 5-6 ocorre uma expansão adiabática reversível na turbina de alta

pressão, com o processo 5-6s apresentando o processo de expansão sendo realizado

reversivelmente. Após sair da turbina o fluido de trabalho sofre mais uma adição de calor

2HQ , devido ao processo de reaquecimento entre as turbinas, até alcançar o estado 7 a partir

de uma troca de calor com o reservatório a temperatura HT .

A expansão adiabática que ocorre na turbina de baixa pressão é irreversível não-

isoentrópica para o processo 7-8 e reversível isoentrópica para o processo 7-8s. Os gases de

exaustão que saem desta última turbina são resfriados no regenerador até o estado 8R,

fornecendo uma taxa de transferência de calor RQ ao fluido de trabalho que deixa o

compressor a alta pressão no estado 4.

Por fim, o fluido de trabalho sofre um resfriamento até o estado inicial 1 rejeitando

calor 1LQ ao reservatório térmico com temperatura .TL Há também a ocorrência de um

vazamento de calor IQ do reservatório a temperatura HT em direção ao reservatório a

temperatura .TL

Equações para as diferentes taxas de transferência de calor que ocorrem no ciclo

podem ser escritas a partir das efetividades dos trocadores de calor ou da variação de entalpia:

RpRHHpH TTCTTCQ 45411 (1)

67622 TTCTTCQ pHHpH (2)

18811 TTCTTCQ RpLRLpL (3)

32222 TTCTTCQ pLLpL (4)

RpRpRpR TTCTTCTTCQ 884448 (5)

onde as efetividades para os trocadores de calor do lado frio, do lado quente e do

regenerador são definidas como:

11 1 HH Nexp (6)

22 1 HH Nexp (7)

11 1 LL Nexp (8)

22 1 LL Nexp (9)

RRR NN 1 (10)

e com o número de unidades de transferência de cada trocador de calor sendo:

pHHH CAUN 111 (11)

pHHH CAUN 222 (12)

pLLL CAUN 111 (13)

pLLL CAUN 222 (14)

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pRRR CAUN (15)

onde UA é o produto do coeficiente globai de transferência de calor pela área do trocador de

calor.

Como os processos nas turbinas e nos compressores são irreversíveis, suas

eficiências isentrópicas são definidas como:

12121 TTTT SC (16)

34342 TTTT SC (17)

ST TTTT 65651 (18)

ST TTTT 87872 (19)

Também são definidas duas relações entre temperaturas isentrópicas x e y,

relacionadas ao compressor de baixa pressão e para a turbina de alta pressão, que também são

funções das razões de pressão destes processos:

k

k

PC

k

k

S rp

p

T

Tx

1

1

1

1

2

1

2

(20)

k

k

PT

k

k

S

rp

p

T

Ty

1

1

1

6

5

6

5

(21)

A irreversibilidade que surge devido ao vazamento de calor IQ é retratada utilziando

o modelo linear de Bejan (1988)

LHII TTCQ (22)

onde IC é a taxa de condutância interna do motor térmico.

Portanto, a taxa de transferência de calor fornecida pelo reservatório de alta

temperatura HT é dada por HQ , a qual é a soma das Eqs. (1),(2) e (22):

IHHH QQQQ 21 (23)

e a taxa de transferência de calor rejeitada ao reservatório de baixa temperatura LT é definida

por LQ , que é a soma das Eqs. (3), (4) e (22):

ILLL QQQQ 21 (24)

Os processos de transferência de calor são considerados não isobáricos com quedas

de pressão dadas por p . Estas perdas de carga são quantificadas pelos seguintes parâmetros:

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k

k

H

HHk

k

Hp

pp

p

p1

1

11

1

4

5

1

(25)

k

k

H

HHk

k

Hp

pp

p

p1

2

22

1

6

7

2

(26)

k

k

L

LLk

k

Lp

pp

p

p1

1

11

1

8

11

(27)

k

k

L

LLk

k

Lp

pp

p

p1

2

22

1

2

3

2

(28)

A partir das Eqs. (1) a (5) e (16) a (21) obtêm-se as seguintes relações entre

temperaturas:

8848 TTTT RR (29)

HLLLR TTTT 1181 1 (30)

12 TxT S (31)

11212 CS TTTT (32)

HLLL TTTT 2223 1 (33)

42344 TTTT CS (34)

4484 TTTT RR (35)

1145 1 HHRTT (36)

yTT S 56 (37)

51566 TTTT TS (38)

2267 1 HHTT (39)

28778 TS TTTT (40)

onde as relações são escritas em formato adimensional dividindo-as por HT para a

generalização dos resultados.

Combinando as Eqs. (29) a (40) obtêm-se relações para as temperaturas em função

apenas dos adimensionais 4T e 8T :

181411 cTbTaT (41)

181412 cTbTaxT S (42)

282422 cTbTaT (43)

383433 cTbTaT (44)

484444 cTbTaT S (45)

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585455 cTbTaT (46)

ycTbTaT S 585456 (47)

686466 cTbTaT (48)

787477 cTbTaT (49)

888488 cTbTaT S (50)

Os coeficientes adimensionais que surgiram do procedimento de substituição seguem

listados abaixo:

11 1 LRa RLb 11 11 HFF TTc 11

1112 1 CCxaa 1112 1 CCxbb 1112 1 CCxcc

223 1 Laa 223 1 Lbb HLLL TTcc 2223 1

2234 1 CCaa 234 1 Cbb 234 1 Ccc

RHa 11 15 15 1 HRb 15 Hc

yyaa TT 1156 1 yybb TT 1156 1 yycc TT 1156 1

267 1 Haa 267 1 Hbb 2267 1 HHcc

2278 1 TTaa 2278 11 TTbb 2278 1 TTcc

As relações para RT8 e RT4 , dadas respectivamente pelas Eqs. (29) e (35), não

precisaram ser alteradas por já estarem em função apenas de 4T e 8T .

Utilizando a segunda lei da termodinâmica para o fluido de trabalho, considerando o

ciclo 1-2S-3-4S-4R-5-6S-7-8S-8R-1, a seguinte relação é obtida:

k

k

SSSS p

p

p

p

p

p

p

p

T

T

T

T

T

T

T

T1

8

1

6

7

4

5

2

3

8

1

6

7

4

5

2

3

(51)

A Eq. (51) é simplificada substituindo as Eqs. (20), (21), (25) a (28) e utilizando a

deixando as temperaturas em suas formas adimensionais :

GSS xTTyTT 8473 (52)

onde G é o parâmetro global de perda de carga:

2211 FQFQG (53)

Utilizando as relações obtidas nas Eqs. (44), (45), (49) e (50) na Eq. (52) uma

equação quadrática é obtida:

0342

2

41 ATATA (54)

onde:

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yaaxaaA G 73841 10892 aTaA

13812

2

8113 aTaTaA

e:

ybabaxbabaa G 377348849 ycacaxcacaa G 3773488410

ybbxbba G 738411 ycbcbxcbcba G 3773488412

Resolvendo a Eq. (54) chega-se a uma relação para 4T em função da temperatura 8T :

1

13812

2

8111

2

10891089

1

31

2

22

42

4

2

4

A

aTaTaAaTaaTa

A

AAAAT

(55)

Com a Eq. (55) todas as relações de temperaturas obtidas anteriormente (Eqs. (41)-

(50)) podem ser obtidas conhecendo-se apenas 8T .

Utilizando a primeira lei da termodinâmica a potência de saída é dada pela diferença

entre as taxas de transferência de calor HQ e

LQ , dadas pelas Eqs. (23) e (24):

2121 LLHHLH QQQQQQW (56)

Substituindo as Eqs. (1) a (4) na Eq. (56):

LLpLRLpHHpRHHp TTCTTCTTCTTCW 22816241 (57)

Dividindo a Eq. (57) por HpTC e utilizando as Eqs. (29), (35), (43) e (48) uma

equação adimensional para a potência de saída é obtida:

38241 dTdTdTCWW Hp (58)

onde:

22261111 LHHRLH aad

22261112 LHLRHL bbd

2226113 1 L

H

LH

H

LLH c

T

Tc

T

Td

A taxa de geração de entropia para o ciclo modelado é dada por:

yccxcca G 738413

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H

IHH

L

ILL

H

H

L

Lg

T

QQQ

T

QQQ

T

Q

T

QS

2121 (59)

Eq. (59) é reescrita em função apenas das temperaturas do ciclo através da

substituição das Eqs. (1) a (4) e (22)

L

LHILLpLRLp

gT

TTCTTCTTCS

2281

H

LHIHHpRHHp

T

TTCTTCTTC

6241

(60)

Dividindo a Eq. (60) por pC junto a substituição das Eqs. (29),(35),(43),(48) na Eq.

(59), é obtida uma adimensional para a taxa de geração de entropia:

68544 dTdTdCSS pgg (61)

onde:

2612214 1 HHR

L

HFLR a

T

Tad

2612215 1 HHR

L

HLLR b

T

Tbd

11 221621

2

6

L

HLLHH

H

L

L

H

p

I

T

Tcc

T

T

T

T

C

Cd

A equação adimensional para a função ecológica é definida como:

gHHp STTWTCEE 0 (62)

Substituindo na Eq. (62) as Eqs. (58) e (61) obtém-se uma relação para a função

ecológica e sua maximização será objetivo da otimização:

68544038241 dTdTdTTdTdTdE H (63)

A eficiência térmica do ciclo pode ser calculada pela razão entre a potência

adimensional W dada pela Eq. (58) e a taxa de transferência de calor HQ fornecida pelo

reservatório a alta temperatura HT , Eq. (23), dividido por HpTC :

HHpH Q

W

TCQ

W

(64)

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Os processos de otimização são realizados numericamente através do MATLAB

utilizando o comando “fminsearch”, o qual permite encontrar valores ótimos para uma ou

mais variáveis, as quais neste caso são ,T8 1pCr e 1pTr , e como valores ótimos tanto para as

temperaturas quanto para as razões de pressão são encontrados é dito que o ciclo foi otimizado

duas vezes. Isto é indicado nos resultados pelo subscrito 2.

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Nesta seção os seguintes parâmetros de projeto do ciclo foram utilizados:

,,TTCC 902121 ,TT LH 5 ,,CC pI 020 ,,LLHH 9702121

42121 RLLHH NNNNNN e .,k 41 Estes parâmetros são utilizados para a

construção de todas as figuras apresentadas, exceto em casos em que haja alguma variação, na

qual a mesma será indicada no texto e nos gráficos. Além disso, é admitido que a temperatura

ambiente 0T é igual à temperatura .TL

Figura 2 – Potência 2,EW sob condições de função ecológica máxima em função da

efetividade do regenerador R para diferentes modificações do ciclo

Na Figura 2 pode ser visto o comportamento da potência 2,EW sob condições de função

ecológica máxima em função da efetividade do regenerador para quatro tipos diferentes de

ciclo. O primeiro sendo referente ao um ciclo simples com compressor, regenerador e turbina

(CRT), o segundo com um compressor, regenerador e um processo de reaquecimento entre

duas turbinas (CRTT), o terceiro com inter-resfriamento entre dois compressores, um

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regenerador e uma turbina (CCRT), e o último com dois compressores, regenerador e duas

turbinas (CCRTT), ou seja, com ambos os processos de reaquecimento e inter-resfriamento.

Na Figura 2 pode ser visto um ligeiro aumento no valor de 2,EW a partir de R igual a

zero até R próximo a 0,5. Depois a potência ótima passa a decrescer até o valor de R a um,

onde alcança um valor praticamente igual ao da potência quando não há regeneração, não

mostrando uma influência considerável em seus valores.

Os ciclos CCRT e CRTT possuem pouca diferença entre si para os valores de ,W ,E 2

com o ciclo CRTT apresentando uma ligeira vantagem sobre a potência fornecida pelo CCRT.

Mas a combinação com dois compressores e duas turbinas do ciclo CCRTT mostra claramente

o benefício da adição de mais estágios nestes processos. Isto, pois o aumento na potência de

saída, provocado pela combinação destas duas modificações, é muito superior ao aumento

causado quando adicionado apenas o processo de inter-resfriamento no ciclo simples. O

mesmo pode ser dito quando é apenas o processo de reaquecimento que é acrescentado.

A Figura 3 mostra a razão entre a eficiência térmica 2,E sob condições de função

ecológica máxima em função da efetividade do regenerador .R Verifica-se que a eficiência

térmica tem um pequeno decréscimo para baixos valores de R para depois aumentar

rapidamente para altos valores de R .

O ciclo CCRTT apresenta os maiores valores de 2,E seguidos pelos ciclos CCRT,

CRTT e CRT, respectivamente. A adição do processo de inter-resfriamento apresenta clara

vantagem com relação aos valores da eficiência térmica quando compara a adição do processo

de reaquecimento.

Figura 3 – Eficiência térmica 2,E sob condições de função ecológica máxima em função

da efetividade do regenerador R para diferentes modificações de ciclo

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Figura 4 – Razão 22 ,MAX,E WW em função da razão LH TT para diferentes números de

unidades de transferência N

Os próximos resultados são referentes à relação entre os resultados para a otimização da

função ecológica e os resultados para a otimização da potência de saída. Para ambos os

resultados a otimização é realizada encontrando valores ótimos para ,T8 1pCr e 1pTr e,

portanto, são indicadas pelo subscrito 2.

Na Figura 4 está representada a variação da razão 22 ,MAX,E WW em função da variação

da razão LH TT . O aumento de LH TT leva a um acréscimo na razão 22 ,MAX,E WW e com

uma influência muita significativa. O aumento de N faz com que o valor razão 22 ,MAX,E WW

diminua, porém esta influência não é tão grande quanto a causada por LH TT .

O gráfico também indica que o valor de 2,EW é muito próximo de 2,MAXW , já que a

potência otimizada pela função ecológica varia entre 85% a 95% da potência máxima, ou seja,

a perda de potência não é tão grande quando efetuada a otimização da função ecológica.

Na Figura 5 é mostrada a variação da razão 22 ,W,E em função da variação da razão

LH TT . Nota-se que 22 ,W,E é sempre maior que a unidade, encontrando-se dentro da faixa

de 1,07 e 1,15. O aumento da razão LH TT leva a uma menor diferença entre os valores das

duas eficiências, mas o aumento de N faz com que o valor da razão 22 ,W,E aumente. Isto

já indica uma das grandes vantagens da otimização de E , já que apresenta um considerável

aumento na eficiência quando compara a otimização da potência, podendo chegar a valores

10% superiores aos de 2,W .

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Figura 5 – Razão 22 ,W,E em função da razão LH TT para diferentes números de

unidades de transferência N

Na Figura 6, que mostra o comportamento da razão 22 ,gW,gE SS em função da variação

da razão LH TT o aumento de N também leva a maiores valores para a razão das taxas de

geração de entropia.

Para este caso, os valores ,SS ,gW,gE 22 ficam entre a faixa de 0,64 e 0,76, indicando

que a otimização da função ecológica leva a uma taxa de geração de entropia

significativamente menor que para a otimização da potência. Outra característica a ser notada

é que o aumento da razão LH TT faz com que o valor desta razão cresça.

A análise dos resultados da otimização da função ecológica, fornece ainda a conclusão

de que a medida em que a razão LH TT aumenta, o ponto de operação onde a função

ecológica é máxima se desloca em direção ao ponto onde a potência é máxima, começando a

apresentar valores mais próximos ao desta otimização

Isto indica que, para valores menores da razão LH TT , a otimização da função

ecológica apresenta maiores eficiências e menores taxa de geração de entropia com relação a

otimização da potência , enquanto que para valores mais altos da razão LH TT , os resultados

de sua otimização começam a se aproximar do da potência máxima apresentando valores de

eficiência, taxa de geração de entropia e potência de saída mais próximos dos apresentados

por um ciclo operando sob máxima potência.

VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

Figura 6 – Razão 22 ,gW,gE SS em função da razão LH TT para diferentes números de

unidades de transferência N

4 CONCLUSÕES

A modelagem para um ciclo Brayton irreversível com processos de regeneração, inter-

resfriamento e reaquecimento é realizada com a adição de irreversibilidades relacionadas à

resistência térmica nos trocadores de calor, às perdas de carga nas tubulações, ao

comportamento não isentrópico dos processos adiabáticos de expansão e compressão e ao

vazamento de calor para a fonte fria. Equações analíticas para a função ecológica e para a

potência de saída, ambas adimensionais, forem desenvolvidas. A otimização da função

ecológica é realizada através da busca por valores ótimos das temperaturas do ciclo. Como

valores ótimos para as razões de pressão, relacionadas aos processos de primeiro estágio de

compressão e de primeiro estágio de expansão, também levam a resultados melhores para o

ciclo, a otimização das temperaturas e das razões de pressão são efetuadas.

A adição do processo de inter-resfriamento junto ao de reaquecimento aumenta

consideravelmente o desempenho do ciclo. O inter-resfriamento sozinho mostrou-se mais

efetivo em aumentar a eficiência térmica, enquanto o reaquecimento conduziu a maiores

potências de saída. A adição da regeneração mostrou-se benéfica para os valores da eficiência

térmica, porém não apresentou influência considerável na potência de saída. A otimização da

função ecológica, quando comparada a otimização da potência, apresentou grandes vantagens

com relação a eficiência térmica e a taxa de geração de entropia, porém ao custo de uma

pequena perda na potência.

VII Seminário da Pós-graduação em Engenharia Mecânica

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