MÁQUINAS TÉRMICAS E PROCESSOS CONTÍNUOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 4-5 – SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR

Modelando Sistemas de Potência a Vapor◦A grande maioria dasinstalações elétricas degeração consiste emvariações das instalaçõesde potência a vapor nasquais a água é o fluidode trabalho.

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Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine

◦O ciclo Rankine modelaos ciclos de geração depotência a vapor,apresentado na figuracomo A.

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Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine

◦O ciclo Rankine é compostofundamentalmente por quatrocomponentes:◦ Caldeira (aquecedor);

◦ Turbina;

◦ Condensador;

◦Bomba.

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◦O vapor entra no estado 1, tendo umapressão e temperatura elevadas, seexpande através da turbina para produzirtrabalho e então é descarregado nocondensador no estado 2.

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Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Turbina

◦No condensador há transferência de calordo vapor para a água de arrefecimentoescoando em uma corrente separada. Ovapor é condensado e a temperatura daágua de arrefecimento aumenta.

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Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Condensador

◦O líquido condensado que deixa ocondensador em 3 é bombeado docondensador para a caldeira a uma pressãomais elevada.

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Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Bomba

◦O fluido de trabalho completa o cicloquando o fluido de trabalho que deixa abomba em 4 é aquecido até a saturação eevaporado na caldeira.

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Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Caldeira

◦Eficiência Térmica:◦A eficiência térmica mede o percentual através

do qual a energia fornecida ao fluido detrabalho é convertida em trabalho líquidodisponível.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho

◦Eficiência Térmica:◦ Em um ciclo fechado o trabalho líquido é igual

ao calor líquido fornecido. Assim, a eficiênciatérmica pode ser expressa alternativamentecomo:

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Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho

◦Taxa de Calor:◦ É a quantidade de energia adicionada ao ciclo

por transferência de calor para produzir umaunidade de trabalho disponível (Btu/KWh).

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Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho

◦Razão de Trabalho Reverso (bwr):◦ É definido como a razão entre o trabalho

entregue a bomba e o trabalho desenvolvidopela turbina.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho

◦Se o fluido de trabalho passa através devários componentes do ciclo simples depotência a vapor sem irreversibilidades, asquedas de pressão devidas ao atritoestariam ausentes na caldeira e nocondensador.

◦Também na ausência de irreversibilidadese trocas de calor para a visinhaças, osprocessos através da turbina e bombaseriam isentrópicos.

◦Um ciclo que segue estas idealizações é ociclo de Rankine Ideal.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine Ideal

◦Processos do ciclo Rankine Ideal:◦ Processo 1-2: Expansão isentrópica;

◦ Processo 2-3: Transferência de calor dofluido de trabalho à medida que ele escoa apressão constante (isobárica);

◦ Processo 3-4: Compressão isentrópica;

◦ Processo 4-1: Transferência de calor para ofluido de trabalho à medida que ele escoa apressão constante (isobárica).

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Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine Ideal

◦Vapor d’água é o fluido de trabalho em um ciclo Rankine ideal. Vaporsaturado entra na turbina a 8MPa, e líquido saturado deixa ocondensador a uma pressão de 0,008MPa. A potência líquidadesenvolvida pelo ciclo é 100MW. Determine, para o ciclo:◦ A) A eficiência térmica.◦ B) A razão de trabalho reversa.◦ C) A vazão em massa Kg/h.◦ D) O calor absorvido na caldeira.◦ E) O calor retirado no condensador.◦ F) A vazão mássica de água de arrefecimento do condensador, em Kg/h, se a água entra no

condensador a 15°C e sai a 35°C.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.1

◦ A) A eficiência térmica.

◦ B) A razão de trabalho reversa.

◦ C) A vazão em massa Kg/h.

◦ D) O calor absorvido na caldeira.

◦ E) O calor retirado no condensador.

◦ F) A vazão mássica de água dearrefecimento do condensador, emKg/h, se a água entra no condensadora 15°C e sai a 35°C.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.1

◦Pode-se obter uma expressão para a eficiência térmica emtermos de temperaturas médias durante os processos deinteração térmica:

◦Para o aquecimento (caldeira):

◦Para o resfriamento (condensador):

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Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador

◦A eficiência térmica do ciclo de Rankine ideal pode ser escrita emfunção das transferência de calor como:

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Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador

◦Concluímos que a eficiência térmica dociclo ideal tende a aumentar à medidaque a temperatura média na qual aenergia é adicionada por transferênciade calor aumenta e/ou a temperatura naqual a energia é rejeitada diminui

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Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador

◦A figura mostra dois ciclos com a mesmapressão no condensador, mas pressõesdiferentes na caldeira.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador

◦A figura mostra dois ciclos com a mesmapressão na caldeira, mas pressõesdiferentes no condensador.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador

◦As equações abaixo mostram ocálculo da eficiência térmica dociclo de Carnot e do ciclo RankineIdeal.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot

◦O ciclo Rankine Ideal diverge do cilo deCarnot em principalmente dois pontos:◦A primeira parte do processo de

aquecimento do ciclo de Rankine mostrado(4-4’) é obtido pelo resfriamento dosprodutos de combustão abaixo datemperatura máxima TH. Com o ciclo deCarnot, contudo, os produtos de combustãoseriam resfriados até TH.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot

◦O ciclo Rankine Ideal diverge do cilo deCarnot em principalmente dois pontos:◦A segunda deficiência envolve o processos

de bombeamento. Observe que no estado 3’existe uma mistura de líquido e vapor, o quegera uma complicação no bombeamento.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot

◦As irreversibilidade estão presentesem cada um dos componentes queintegram o ciclo, bem como nastubulações que os interligam.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais

◦Turbina: A principal irreversibilidadedo fluido de trabalho está associadaà expansão na turbina. Isto é devido,principalmente, aos processosinternos de expansão nas pás. Aeficiência isentrópica permite levarem conta o efeito dasirreversibilidades na turbina:

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Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais

◦Bomba: O trabalho necessáriofornecido à bomba para vencer osefeitos de atrito interno tambémreduz a potência líquida disponível.Desta forma, o trabalho fornecido aosistema é maior que o necessário,caso não houvesse irreversibilidadesna bomba.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais

◦Outros desvios das idealizações: Asirreversibilidades da turbina e dabomba, são denominadasirreversibilidades internas. Porém, asfontes de irreversibilidades maissignificativas para uma instalação depotência a vapor estão associadasaos sistemas externos.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais

◦Outros desvios das idealizações:◦A principal irreversibilidade está

associada a combustão do combustívele a transferência de calor posterior dosprodutos de combustão para o fluidode trabalho.

◦Outras irreversibilidades estãoassociadas as perdas de calor pelascarcaças dos componentes quentes dosistema e as perdas de carga nastubulações.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais

◦Outros desvios das idealizações:

◦Um outro efeito é verificado noestado 3. Neste caso, a temperaturado fluido de trabalho que sai docondensador seria menor que atemperatura de saturação, o queaumentaria a quantidade de calornecessário na caldeira.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais

◦ Reconsidere o ciclo de potência de vapor do Exemplo8.1, mas inclua na análise que a turbina e a bombapossuem uma eficiência isentrópica de 85%, cadauma. Determinar para o ciclo modificado:◦ (a) o rendimento térmico.◦ (b) a vazão mássica de vapor, em kg/h para uma potência

útil líquida de 100 MW.◦ (c) a taxa de transferência de calor para o fluido de trabalho

à medida que passa através da caldeira, em MW◦ (d) a taxa de transferência de calor do vapor de

condensação à medida que passa através do condensador,em MW

◦ (e) o fluxo de massa da água de arrefecimento docondensador, em kg/h, se a água de arrefecimento entrar nocondensador a 15 ° C e sair a 35 °C.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.2

◦ (a) o rendimento térmico.◦ (b) a vazão mássica de vapor, em kg/h para uma

potência útil líquida de 100 MW.◦ (c) a taxa de transferência de calor para o fluido de

trabalho à medida que passa através da caldeira,em MW

◦ (d) a taxa de transferência de calor do vapor decondensação à medida que passa através docondensador, em MW

◦ (e) o fluxo de massa da água de arrefecimento docondensador, em kg/h, se a água de arrefecimentoentrar no condensador a 15 ° C e sair a 35 °C.

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Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.2