Análise termodinâmica de uma turbina de gás operando com câmara de combustão a pressão constante e com câmara de detonação

Abstract

O objetivo deste trabalho é realizar a comparação entre o rendimento térmico de um ciclo termodinâmico convencional de turbina de gás e o rendimento térmico de um ciclo termodinâmico de turbina de gás operando com uma câmara de detonação (Rotating Detonation Engine – RDE), variando a taxa de compressão. No ciclo, ar atmosférico passa pelo compressor e entra na câmara de combustão/detonação, onde se mistura com combustível e ocorre uma reação de combustão estequiométrica. Os produtos da reação deixam a câmara e entram em um diluidor, onde, adicionando ar advindo do compressor, são resfriados até 1600K. A mistura ar-produtos adentra a turbina e sai à atmosfera, gerando trabalho neste processo. São utilizados modelos matemáticos e computacionais que simulam as reações químicas de combustão estequiométrica em ambas as câmaras, considerando equilíbrio termodinâmico. O método de minimização de energia livre de Gibbs é utilizado para determinar a composição dos produtos da combustão. O combustível adotado é o gás de síntese. Os ganhos relativos em rendimento térmico do ciclo de RDE em relação ao da turbina convencional é situacional, variando entre 20,9% e -13,29% relativo ao rendimento térmico do ciclo convencional.

The objective of this study is to provide a comparsion of the termal efficiencies of a thermodynamical cycle of a conventional gas engine and a cycle of a engine operating a detonation chamber (Rotating Detonation Engine – RDE), varying the compression ratio. In the cycle, atmospheric air traversses the compressor and enters the combustion/detonation chamber, where it is mixed with fuel and undergoes a stoichiometric combustion reaction. The reaction products leave the chamber and enter in a mixer, where, adding air from the compressor, are cooled to 1600 K. The air-products mixture then enters the turbine and leaves it to the atmosphere, generating work in this process. Mathemathical and computational models simulating the stoichiometric chemical combustion reactions in both chambers are utilized, considering thermodynamical equilibrium. The minimmization of free Gibbs energy is used for determining the composition of the combustion products. The fuel utilized is a synthesis gas. The relative gains in termal efficiency of the RDE cycle relative to the conventional engine are situational, varying between 20,9% and -13,29% relative to the thermal efficiency of the conventional cycle.