cap03 - sistemas potencia com mudanca de fase
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Sistemas de potência e refrigeração com mudança de fase
Goiânia, 25/03/2014
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Objetivos
Apresentar os ciclos ideais para os sistemas de potência e de refrigeração;
O fluido de trabalho sofre mudança de fase durante o ciclo;
Apresentar os motivos que levam os ciclos reais a se afastarem do rendimento dos ciclos ideais;
Apresentar as modificações dos ciclos básicos para aumentar o rendimento.
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Introdução
Centrais de potência, como a central simples a vapor de água (termoelétricas), operam segundo um ciclo;
No ciclo fluido de trabalho sofre uma série de processos e, por fim, retorna ao estado inicial;
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IntroduçãoHá outros tipos de centrais de potência em que o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico;
◦ motores de combustão interna
◦ turbinas a gás
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Introdução
Porém a máquina opera segundo um ciclo mecânico;
Nestes casos, no final do processo, o fluido de trabalho apresenta uma composição química diferente, ou está em um estado termodinâmico diferente do inicial;
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Introdução
Pode-se dizer que as máquinas que trabalham segundo um ciclo mecânico trabalham em um ciclo aberto;
E as unidades motoras, que trabalham em um ciclo termodinâmico, trabalham em um ciclo fechado;
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Introdução
É importante analisar o desempenho do ciclo ideal, e compará-lo ao ciclo real;
◦ Por exemplo: o motor de combustão interna, com ignição por centelha é modelado como um ciclo Otto, e pode-se concluir que aumentando a relação de compressão obtém-se um aumento de rendimento do ciclo;
◦ Isto também é verdadeiro para o motor real;
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Introdução aos ciclos de potência
Máquina térmica cíclica:
◦ Produzir trabalho na forma de rotação de eixo:
◦ O fluido de trabalho pode apresentar mudança de fase durante a execução do ciclo ou permanecer na mesma fase;
◦ Processos que envolvem movimentação de um pistão em um cilindro:
◦ O fluido de trabalho usualmente permanece na fase gasosa.
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Introdução aos ciclos de potência
Máquina térmica cíclica e a pistão:
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Introdução aos ciclos de potência
Exemplo de ciclo motor térmico:
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Introdução aos ciclos de potência
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Introdução aos ciclos de potênciaTermoelétrica:
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EXEMPLO DE UMA INSTALAÇÃO REALUsinas de O General James M. Gavin possuem duas unidades idênticas, cada uma com capacidade de geração de 1.300 MW, com uma capacidade total de geração de 2.600 MW, Gavin Planta classifica como a maior estação de geração no estado de Ohio. Ela está localizado ao longo do rio Ohio em Cheshire, e tem uma média de consumo de carvão diária de 25.000 toneladas em plena capacidade. O carvão chega por barco e é armazenado no pátio de carvão da usina. Correias transportadoras carregam o carvão do pátio para a fábrica, onde trituradores moem o carvão até a consistência de um pó. O carvão em pó é injetado dentro do gerador de vapor, onde é queimado a alta temperatura fornecendo um calor que gera vapor e impulsiona a Usina.
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EXEMPLO DE UMA INSTALAÇÃO REAL
AR
COMBUSTÍVEL
ENERGIA
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Introdução aos ciclos de potência
Para um processo reversível em regime permanente, com uma seção de entrada e uma de saída – volume de controle, desprezando as variações de energia cinética e potencial o trabalho por unidade de massa envolvido no processo é:
w vdP
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Introdução aos ciclos de potência
O trabalho de movimento de fronteira por unidade massa, em um processo reversível para um sistema que engloba uma substância simples compressível:
w Pdv
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Introdução aos ciclos de potência
Representação dos processos:
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Introdução aos ciclos de potência
Considere o ciclo de potência: • Todos os processos sãoreversíveis;
• Não apresentam variaçãosignificativa de energia cinéticae potencial;
• Os processo de transferênciade calor ocorrem a pressãoconstante, sem realização detrabalho;
• Tanto a turbina e a bomba sãoadiabáticas e reversível;
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Introdução aos ciclos de potência
A representação esquemática do ciclo:
• Se todos os estadospercorridos pelo fluidode trabalho durante ociclo pertencerem àregião de saturaçãolíquido-vapor , tem-seum ciclo de Carnot;
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Ciclo de Carnot
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Introdução aos ciclos de potência
Isso ocorre porque as transferências de calor ocorrem a pressão constante;
Na região de saturação os processos a pressão constante também são processos isotérmicos;
Caso contrário, o ciclo não será mais o de Carnot;
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Introdução aos ciclos de potência
O trabalho líquido, por unidade de massa, realizado pelo ciclo é:
2 4
1 3
2 4
1 3
0 0liq
liq
w vdP vdP
w vdP vdP
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Introdução aos ciclos de potência
Como P1=P4 e P2=P3;
Considerando que os volumes específicos dos fluidos de trabalho no processo de expansão (3-4) são maiores que os referentes no processo de compressão (1-2);
Conclui-se que o trabalho realizado pelo ciclo é positivo e que é função das diferenças entre os volumes específicos das fases;
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Introdução aos ciclos de potência
Se o ciclo anterior fosse realizado em um conjunto cilindro-pistão, o trabalho seria realizado pelo movimento de fronteira:
2 3 4 1
1 2 3 4
liqw Pdv Pdv Pdv Pdv
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Introdução aos ciclos de potência
OBSERVANDO AS ÁREAS:
Relativas aos processos de expansão (2-3 e 3-4) são maiores que as áreas dos processos de compressão (4-1 e 1-2).
Portanto o trabalho líquido é positivo.
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Introdução aos ciclos de potência
A área 1-2-3-4-1 representa o trabalho líquido produzido;
O trabalho líquido é mesmo para os dois casos;
Apesar dos trabalhos realizados nos processos serem diferentes;
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Introdução aos ciclos de potência
No presente capítulo será considerado o caso de volume de controle, onde o processo está em regime permanente, que produz trabalho na forma de rotação de eixo e o fluido de trabalho apresenta mudança de fase;
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Introdução aos ciclos de potência
No próximo capítulo será analisado os sistemas com fluido de trabalho que permanece na fase gasosa, que envolvem movimentação de um pistão em um cilindro;
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Ciclo Rankine
Considere o ciclo baseado em quatro processos que ocorrem em regime permanente:
• Admitindo que oestado 1 seja líquidosaturado;
• E o estado 3 vaporsaturado ousuperaquecido;
• Tem-se um cicloRankine.
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Ciclo Rankine
Processos:
◦ 1-2: Bombeamento adiabático reversível;
◦ 2-3: Transferência de calor a pressão constante, na caldeira;
◦ 3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina
◦ 4-1: Transferência de calor a pressão constante, no condensador;
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Ciclo Rankine
O ciclo Rankine pode apresentar superaquecimento do vapor, i.e., 1-2-3’-4’-1;
Se as variações de energias cinética e potencial forem desprezíveis;
As transferências de calor e o trabalho líquido podem ser representados pelas diversas áreas do diagrama T-s.
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Ciclo Rankine
O calor transferido ao fluido de trabalho é representado pela área: a-2-2’-3-b-a;
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Ciclo Rankine
O calor transferido do fluido de trabalho é representado pela área: a-1-4-b-a;
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Ciclo Rankine
A área que representa o trabalho é igual a diferença entre essas duas áreas: 1-2-2’-3-4-1;
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Ciclo Rankine
O rendimento térmico é:
1 2 2 ' 3 4 1
2 2 ' 3
liq
térmico
H
w área
q área a b a
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Ciclo Rankine
O rendimento depende da temperatura média na qual:
◦ O calor é fornecido;
◦ O calor é rejeitado.
Ou seja, se a temperatura média, na qual o calor é fornecido, aumenta, ou a temperatura média diminui, onde o calor é rejeitado, aumenta-se o rendimento;
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Ciclo Rankine
O rendimento do ciclo Rankine é menor que o de Carnot, que opera nas mesmas temperaturas máximas e mínimas;
◦ Pois a temperatura média entre 2 e 2’ é menor que a temperatura durante a evaporação;
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Ciclo Rankine
Por que escolher o ciclo Rankine como ideal e não o ciclo Carnot?
◦ A primeira razão envolve o processo de bombeamento, o estado 1’ é uma mistura de líquido e vapor
◦ É muito difícil construir uma bomba que opere sendo alimentada com uma mistura líquido-vapor e que forneça líquido saturado na seção de descarga, 2’;
◦ É mais fácil condensar o vapor completamente, e trabalhar somente com líquido na bomba.
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Ciclo Rankine
Por que escolher o ciclo Rankine como ideal e não o ciclo Carnot?
◦ A segunda razão envolve o superaquecimento do vapor;
◦ No ciclo Rankine o vapor é superaquecido a pressão constante, processo 3-3’;
◦ No ciclo de Carnot toda a transferência de calor ocorre a temperatura constante e o vapor é superaquecido no processo 3-3’’;
◦ Durante esse processo a pressão cai.
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Ciclo Rankine
Por que escolher o ciclo Rankine como ideal e não o ciclo Carnot?
◦ Isso significa que calor deve ser transferido ao vapor enquanto ele sofre um processo de expansão, no qual é efetuado trabalho;
◦ Isso é difícil de se conseguir na prática;
◦ Dessa forma o ciclo Rankine é escolhido como o ciclo ideal que se aproxima da prática.
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Ciclo Rankine
Resumindo:
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Ciclo Rankine
Resumindo:
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Ciclo Rankine
Parâmetros de performance:
◦ Eficiência térmica (thermal efficiency) de um ciclo de potência:
liq turbina bombatérmico
H caldeira
w w w
q q
1liq caldeira condensador condensador
térmico
H caldeira caldeira
w q q q
q q q
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Ciclo Rankine
Parâmetros de performance:
◦ “Back work ratio” (bwr):
bomba
turbina
wbwr
w
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Ciclo Rankine
Resumindo:
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Primeiro considera-se o efeito da pressão e da temperatura na saída da turbina;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo RankineDiminuindo a pressão na saída da turbina de P4 para P4’;
A temperatura, na qual calor é rejeitado, também diminui;
O aumento do trabalho líquido é representado pela área 1-4-4’-1’-2’-2-1;
O aumento do calor transferido ao fluido é representado pela área a’-2’-2-a-a’;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
O resultado líquido é um aumento do rendimento do ciclo;
Este aumento também pode ser verificado, devido à queda da temperatura média em que calor é rejeitado;
liq
térmico
H
w
q
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Há uma queda do título do fluido que sai da turbina;
Isto é um fator significativo de construção e operação da turbina;
◦ Problemas de erosão das palhetas devido a umidade do fluido aumentar (mais de 10%);
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Efeito do superaquecimento do vapor na caldeira;
O trabalho aumenta o correspondente à área 3-3’-4’-4-3;
O calor transferido na caldeira aumenta o correspondente à área 3-3’-b’-b-3;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
A relação entre essas duas áreas é maior que a relação entre o trabalho líquido e o calor fornecido no restante do ciclo;
Dessa forma o superaquecimento do vapor aumenta o rendimento do ciclo Rankine;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Este fato também é explicado pelo efeito de aumentar a temperatura média na qual calor é transferido ao vapor;
Quando o vapor é superaquecido o título aumenta na saída da turbina;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Quanto a pressão máxima é aumentada;
A temperatura máxima do vapor é mantida constante na saída da caldeira, então:
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo RankineO calor rejeitado diminui o correspondente a área b’-4’-4-b-b’;
O trabalho líquido:◦ aumenta o correspondente à área
hachurada simples;
◦ diminui o correspondente à área hachurada dupla;
Portanto, o trabalho líquido tende a permanecer o mesmo;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Porém o calor rejeitado diminui e o rendimento aumenta com o aumento da pressão máxima;
Resumindo:
◦ O trabalho líquido e o rendimento de um ciclo Rankine podem ser aumentados:
◦ Pela redução da pressão no condensador;
◦ Pelo aumento da pressão no fornecimento de calor;
◦ Pelo superaquecimento do vapor;
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Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine◦ O título do vapor que deixa a turbina:
◦ Aumenta com o superaquecimento do vapor;
◦ Diminui:
◦ Pelo abaixamento da pressão no condensador;
◦ Pelo aumento da pressão no fornecimento de calor;
![Page 60: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/60.jpg)
Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
O ciclo é modelado com quatro processo conhecidos:
◦ Dois isobáricos;
◦ Dois isentrópicos;
Ocorre entre 4 estados evolvendo 8 propriedades;
![Page 61: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/61.jpg)
Efeitos da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Admitindo que o estado 1 seja líquido saturado, x1=0;
As condições operacionais são fisicamente controladas:
◦ Pela pressão gerada na bomba (P2=P3);
◦ Pelo superaquecimento para T3 ou x3=1,0;
◦ Pela temperatura do condensador, T1;
![Page 62: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/62.jpg)
Ciclo Rankine com reaquecimento
O rendimento do ciclo Rankine aumenta pelo aumento da pressão no processo de fornecimento de calor;
Também aumenta o teor de umidade na turbina;
O ciclo com reaquecimento foi desenvolvido para:
◦ Aumentar o rendimento pela utilização de pressões mais altas;
◦ Evitar que a umidade seja excessiva na turbina;
![Page 63: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/63.jpg)
Ciclo Rankine com reaquecimento
O vapor expande até uma pressãointermediária na turbina;
Então ele volta para a caldeira,onde é reaquecido;
Volta, novamente, para a turbina,onde é expandido até a pressão desaída;
![Page 64: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/64.jpg)
Ciclo Rankine com reaquecimento
Há um ganho pequeno no rendimento:
◦ A temperatura média na qual calor é fornecido não varia muito;
![Page 65: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/65.jpg)
Ciclo Rankine com reaquecimento
A principal vantagem é diminuir o teor de umidade nos estágios de baixa pressão na turbina;
◦ Se a turbina for construída com materiais que possibilitem o superaquecimento do vapor até 3’, o ciclo Rankine simples seria mais eficiente que o ciclo com reaquecimento;
![Page 66: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/66.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Essa variação do ciclo Rankineenvolve a utilização de aquecedores da água de alimentação;
![Page 67: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/67.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Característica do ciclo regenerativo ideal:
◦ Após deixar a bomba o líquido circula ao redor da carcaça da turbina;
◦ Transferindo calor do vapor para o líquido;
![Page 68: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/68.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
O fluido de trabalho entra na caldeira em algum estado entre 2-2’:
◦ Consequentemente, obtém-se um aumento na temperatura média na qual calor é fornecido ao fluido de trabalho >>>> aumento do rendimento;
![Page 69: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/69.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Considerando a transferência de calor na turbina seja um processo reversível,ou seja, a temperatura da turbina é infinitesimalmente superior à do líquido;T
![Page 70: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/70.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
A linha 4-5 é exatamente paralela à linha 1-2-3;
Consequentemente, as áreas 2-3-b-a-2 e 5-4-d-c-5, são iguais e congruentes:
◦ Representam o calor transferido do vapor para o fluido de trabalho que está no estado líquido;
T
![Page 71: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/71.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Calor é transferido do fluido de trabalho no processo 5-1, e é dado pela área 1-5-c-a-1;
T
![Page 72: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/72.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Essa área, 1-5-c-a-1, é exatamente igual a área: 1’-5’-d-b-1’, que é proporcional, ao calor rejeitado no ciclo de Carnot;
![Page 73: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/73.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Conclusão: o ciclo Rankineregenerativo ideal, apresenta rendimento térmico igual ao ciclo de Carnot: 1’-3-4-5’-1’;
T
![Page 74: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/74.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Não é possível implantar esse ciclo:
◦ Não é possível fazer a transferência de calor proposta na turbina;
◦ O teor de umidade do vapor que deixa a turbina aumenta consideravelmente;
T
![Page 75: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/75.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Ciclo regenerativo real:
◦ Envolve a extração de uma parte do vapor que escoa na turbina, após ter sido parcialmente expandido;
◦ Utilização de aquecedores da água de alimentação;
![Page 76: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/76.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
![Page 77: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/77.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Vapor entra na turbina no estado 5 e é expandido até o estado 6:
![Page 78: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/78.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Parte do vapor é extraída e entra no aquecedor de água de alimentação:
![Page 79: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/79.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
O vapor não extraído é expandido até o estado 7 e é condensado no condensador:
![Page 80: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/80.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
O líquido descarregado do condensador é bombeado para o aquecedor da água, onde ocorre a mistura com o vapor extraído da turbina:
![Page 81: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/81.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
A vazão de vapor extraída da turbina é suficiente para fazer com que o líquido que deixa o aquecedor de mistura esteja saturado no estado 3;
![Page 82: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/82.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
O líquido ainda não está na pressão da caldeira, mas na pressão intermediária correspondentes ao estado 6;
Torna-se necessário a instalação de outra bomba, que transfere o líquido para a caldeira;
![Page 83: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/83.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
![Page 84: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/84.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
O ponto significativo desse ciclo é o aumento da temperatura média, na qual o calor é fornecido ao fluido de trabalho;
Considere um volume de controle no aquecedor de água de alimentação de mistura, a equação da massa fica:
2 6 3m m m
![Page 85: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/85.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Considere um volume de controle no aquecedor de água de alimentação de mistura, a equação da massa fica:
2 6 3m m m
![Page 86: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/86.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Define-se então fração de extração:
Assim:
6
5
my
m
7 5 1 21m y m m m
![Page 87: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/87.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Admitindo que não há transferência de calor do aquecedor de água para o ambiente e não há trabalho sendo realizado;
![Page 88: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/88.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
A eq. da conservação de energia:
Observando que:
Tem-se:
2 2 6 6 3 3m h m h m h
3 5m m
5 2 5 6 5 31 y m h ym h m h
![Page 89: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/89.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Admitindo que o fluido de trabalho se encontra no estado de líquido saturado no estado 3, a máxima fração de extração é:
3 2
6 2
h hy
h h
![Page 90: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/90.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
O diagrama, mostra simplesmente os estados do fluido, nos vários pontos;
Mas não corresponde ao ciclo regenerativo:
![Page 91: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/91.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo◦ A massa de vapor que escoa pelos
vários componentes não é a mesma;
◦ A área 4-5-c-b-4 representa o calor transferido por quilograma de fluido de trabalho;
![Page 92: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/92.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo◦ O processo 7-1 é o processo de
rejeição de calor, mas nem todo o fluido passa pelo condensador, a área 1-7-c-a-1 representa o calor transferido por quilograma de fluido que escoa apenas no condensador;
![Page 93: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/93.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo◦ Assim a área 1-7-c-a-1 não
representa o calor transferido por quilograma de fluido que entra na turbina;
◦ Entre os estados 6-7 somente parte do vapor gerado escoa pela turbina.
![Page 94: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/94.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Aquecedor de água de alimentação:
6 5
2 5
h hy
h h
![Page 95: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/95.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Foi admitido que o vapor de extração e a água de alimentação são misturados em um aquecedor de água de alimentação;
Existe outro tipo de aquecedor de água de alimentação: Aquecedor de superfície ou fechado;
◦ O vapor e a água de alimentação não se misturam;
◦ O calor é transferido do vapor que é extraído, que condensa na parte externa dos tubos, devido a água de alimentação que escoa no interior dos tubos;
![Page 96: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/96.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Aquecedor de superfície:
![Page 97: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/97.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Aquecedor de superfície:
2
6
my
m
2 7m m
5 6m m
2 2 5 5 6 6 7 7m h m h m h m h
![Page 98: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/98.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Aquecedor de superfície:
6 5
2 7
h hy
h h
6 2 5 5 6 6 2 7ym h m h m h m h
6 2 6 5 6 6 6 7ym h m h m h ym h
![Page 99: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/99.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
A pressão do vapor pode ser diferente da pressão da água de alimentação;
O condensado por ser bombeado para a tubulação de água de alimentação;
Ou pode ser removido por meio de purgador, para um aquecedor de baixa pressão ou para o condensador principal.
![Page 100: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/100.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
![Page 101: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/101.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Os aquecedores de mistura para a água de alimentação tem como vantagem, comparado com os aquecedores de superfície:
◦ Menor custo;
◦ Melhor transferência de calor;
Desvantagens:
◦ Utilizar uma bomba a mais;
![Page 102: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/102.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
Utilizando um grande número de estágios de extração o ciclo regenerativo se aproxima do ideal:
◦ A água entra na caldeira como líquido saturado na pressão máxima;
Na prática, não é viável economicamente, pois a economia alcançada com o aumento do rendimento do ciclo não é justificada pelo custo inicial dos equipamentos adicionais;
◦ Aquecedores de água, tubulações, purgadores, etc...
![Page 103: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/103.jpg)
Ciclo Rankine regenerativoRaramente são utilizados mais do que cinco estágios em centrais térmicas;
![Page 104: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/104.jpg)
Ciclo Rankine regenerativo
![Page 105: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/105.jpg)
Ciclo Rankine regenerativoNa figura anterior, um dos aquecedores da água de alimentação de mistura, é um aquecedor e deaerador da água de alimentação;◦ Aquecer e remover ar da água de alimentação para evitar corrosão excessiva
na caldeira;
O condensado dos aquecedores a alta pressão escoa para um aquecedor intermediário;
O condensado do aquecedor intermediário é drenado para o aquecedor e deaerador
Condensado do aquecedor a baixa pressão é drenado para o condensador
![Page 106: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/106.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
Perdas na turbina:
◦ Representam o maior afastamento do desempenho do ciclo real em relação ao ciclo Rankine ideal;
◦ O trabalho na turbina é o principal valor no numerador da expressão para o cálculo do rendimento térmico do ciclo e é diretamente influenciado pelo rendimento isentrópico da turbina;
◦ Essas perdas se dão pelo escoamento do fluido sobre os canais e palhetas da turbina;
◦ Transferência de calor para o ambiente também é uma perda;
![Page 107: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/107.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
Perdas na turbina:
![Page 108: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/108.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
Perdas na bomba:
◦ São análogas as perdas da turbina, diretamente relacionadas com o escoamento do fluido no seu interior;
As perdas na bomba são muito menores que aquelas relativas à operação da turbina;
![Page 109: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/109.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
Perdas na bomba:
![Page 110: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/110.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
Perdas nas tubulações:
◦ Queda de pressão, provocada pelo atrito viscoso;
◦ Transferência de calor ao ambiente;
Exemplo: a tubulação de vapor que liga a caldeira à turbina:
◦ Considerando somente os efeitos de atrito, haverá um aumento da entropia
◦ O calor transferido ao ambiente, a pressão constante, pode ser representado pelo processo b-c, gera uma diminuição da entropia;
![Page 111: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/111.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
Devido a essas perdas, a água que entra na caldeira deve ser bombeada até uma pressão mais elevada;
![Page 112: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/112.jpg)
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais
As perdas no condensador são relativamente pequenas, em comparação com as demais, principal delas é:
◦ Resfriamento abaixo da temperatura de saturação do líquido
![Page 113: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/113.jpg)
Ciclo binário de vapor
Dois fluidos de trabalho são utilizados;
◦ Um com boas características para altas temperaturas;
◦ Outro com boas características para baixas temperaturas;
![Page 114: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/114.jpg)
Ciclo binário de vapor
![Page 115: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/115.jpg)
Ciclo binário de vapor
2 ciclos Rankine são combinados;
O calor rejeitado no ciclo de alta temperatura é usado como energia para o ciclo de baixa temperatura;
![Page 116: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/116.jpg)
Ciclo binário de vapor
Essa transferência de calor ocorre em um trocador de calor, o qual funciona:
◦ Como condensador para o ciclo de alta temperatura;
◦ E como gerador de vapor para o ciclo de baixa temperatura;
![Page 117: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/117.jpg)
Ciclo binário de vapor
Os ciclos binários podem operar com altas temperaturas médias em comparação com os ciclos convencionais, que usam somente água;
![Page 118: Cap03 - Sistemas Potencia Com Mudanca de Fase](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022051517/55cf97a0550346d03392a0fb/html5/thumbnails/118.jpg)
Cogeração
Existem unidades industriais que utilizam um ciclo de potência a vapor para:
◦ Gerar eletricidade;
◦ Requer um suprimento de outra forma de energia: vapor ou água quente;
Utiliza-se vapor expandido até uma pressão intermediária, em uma turbina de alta pressão do ciclo de potência, como fonte de energia para processo produtivo;
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Cogeração
Dessa forma, não precisa de outra caldeira exclusiva para o processo produtivo:
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Cogeração
Esse tipo de aplicação é conhecido como cogeração;
Se a unidade industrial é projetada como um conjunto, considerando o ciclo de potência com o processo produtivo, é possível alcançar ganhos substanciais:
◦ No investimento inicial;
◦ No custos operacionais;
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Exercício 1Utiliza-se vapor como fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine. O vaporsaturado entra na turbina a 8,0 MPa e o liquido saturado sai do condensador a umapressão de 0,008 MPa. A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW. Determinepara o ciclo:◦ (a) a eficiência térmica;
◦ (b) a razão bwr;
◦ (c) a vazão mássica de vapor, em kg/h;
◦ (d) a taxa de transferência de calor, Qent, fornecida ao fluido de trabalho que passa pelacaldeira, em MW;
◦ (e) a taxa de transferência de calor, Qsai, que sai do vapor condensado ao passar pelocondensador, em MW;
◦ (f) a vazão mássica da água de resfriamento no condensador, em kg/h, se a água entra nocondensador a 15°C e sai a 35°C.
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Esquema do ex. 1
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Exercício 2Reconsidere o ciclo de potencia a vapor do Exemplo anterior, mas inclua na análise o fato de que a turbina e a bomba tem, cada qual, eficiência isentrópica de 85%.◦ (a) Determine para o ciclo modificado a eficiência térmica◦ (b) a vazão mássica do vapor, em kg/h, para uma potência líquida de saída de
100MW;◦ (c) a taxa de transferência de calor, Qent, para o fluido de trabalho quando ele passa
pela caldeira, em MW;◦ (d) a taxa de transferência de calor, Qsai, do vapor que condensa ao passar pelo
condensador, em MW;◦ (e) a vazão mássica da água de resfriamento no condensador, em kg/h, se a agua
entra no condensador a 15°C e sai a 35°C.
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Esquema do ex. 1
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Exercício 3
O vapor d’água é o fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine comsuperaquecimento e reaquecimento. O vapor entra na turbina doprimeiro estágio a 8,0 MPa e 480°C, e se expande até 0,7 MPa. Emseguida, é reaquecido até 440°C antes de entrar na turbina do segundoestágio, onde se expande até a pressão do condensador de 0,008 MPa. Apotência líquida na saída é de 100 MW. Determine (a) a eficiência térmicado ciclo, (b) a vazão mássica do vapor, em kg/h, (c) a taxa de transferênciade calor, Qsai do vapor que condensa quando passa pelo condensador, emMW. Discuta os efeitos do reaquecimento no ciclo de potência a vapor.
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Esquema do ex. 3
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Esquema do ex. 4
Reconsidere o ciclo com reaquecimento do Exemplo 3, mas, desta vez, inclua na análise o fato de que cada estágio de turbina apresenta a mesma eficiência isentrópica. (a) Considerando ht = 85%, determine a eficiência térmica.