Eficiência de Ciclo Combinado
Calcula a eficiência de um ciclo combinado gás-vapor, η_cc = η_gás + η_vapor − (η_gás × η_vapor ÷ 100), combinando a eficiência da turbina a gás (ciclo Brayton, topping) com a do ciclo a vapor (Rankine, bottoming) que aproveita o calor dos gases de exaustão. O resultado, em %, é maior que qualquer um dos ciclos isolados porque o calor rejeitado pela turbina a gás, em vez de ser perdido, gera vapor para uma segunda turbina. É por isso que as centrais de ciclo combinado modernas superam 60% de eficiência, as mais altas da geração térmica. Informe as eficiências do ciclo a gás e do ciclo a vapor (em %).
Resultado
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Eficiência de ciclo combinado
A central de ciclo combinado é a campeã de eficiência da geração térmica, e o motivo é elegante: ela empilha dois ciclos. Primeiro, uma turbina a gás (ciclo Brayton, dito topping) queima o combustível e gera potência — mas rejeita gases de exaustão ainda muito quentes (500–600 °C). Em vez de jogar esse calor fora, uma caldeira de recuperação o usa para gerar vapor que aciona uma segunda turbina a vapor (ciclo Rankine, dito bottoming). A eficiência global combina as duas: η_cc = η_gás + η_vapor − (η_gás × η_vapor ÷ 100). O termo subtraído evita contar duas vezes a energia — o ciclo a vapor só processa o que o ciclo a gás rejeitou, não a energia original. O resultado é sempre maior que qualquer um dos ciclos isolados: 40% (gás) somados a 30% (vapor sobre o rejeito) dão 58%, não 70%. É por isso que as plantas de ciclo combinado a gás natural ultrapassam 60%, frente aos ~40% de uma termelétrica a vapor simples. Informe as eficiências do ciclo a gás e do ciclo a vapor.
Ferramentas Relacionadas
Eficiência do Ciclo Rankine
Calcula a eficiência térmica de um ciclo Rankine, η = (w_turbina − w_bomba) ÷ q_caldeira × 100%, dividindo o trabalho líquido (trabalho da turbina menos o consumido pela bomba) pelo calor fornecido na caldeira, todos em kJ/kg. O ciclo Rankine é a base das usinas termelétricas a vapor: a água é bombeada, aquecida e vaporizada na caldeira, expande na turbina gerando trabalho e condensa de volta. O resultado, em %, mede quanto do calor da caldeira vira trabalho útil; ciclos reais ficam em 30–45%. Informe o trabalho da turbina, o trabalho da bomba e o calor da caldeira.
Back Work Ratio (BWR)
Calcula a razão de trabalho reverso (back work ratio, BWR) de um ciclo de potência, BWR = w_compressor ÷ w_turbina, dividindo o trabalho consumido pelo compressor (ou bomba) pelo trabalho bruto produzido pela turbina. O resultado (adimensional) mostra que fração do trabalho da turbina é reinvestida para comprimir o fluido. Em turbinas a gás (ciclo Brayton) o BWR é alto (0,4–0,6), pois comprimir gás custa caro; em ciclos Rankine a vapor é minúsculo (~0,01), pois bombear líquido é barato. Um BWR alto torna o ciclo sensível às eficiências dos componentes. Informe o trabalho do compressor e o da turbina.
Eficiência da Caldeira
Calcula a eficiência térmica de uma caldeira pelo método direto, η = (m_vapor × Δh) ÷ (m_comb × PCI) × 100%, comparando o calor útil absorvido pela água/vapor (vazão de vapor × ganho de entalpia) com a energia liberada pela queima do combustível (vazão de combustível × poder calorífico inferior). O resultado, em %, indica quanta energia do combustível foi efetivamente transferida ao vapor; o restante se perde nos gases de exaustão, em purgas, radiação e combustível não queimado. Caldeiras industriais bem operadas atingem 80–90%. Informe a vazão de vapor, o ganho de entalpia, a vazão de combustível e o PCI.
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