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BC1309-Aula7(Rankine)

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Academic year: 2021

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(1)

Universidade Federal do ABC

BC1309

Termodinâmica Aplicada

(2)
(3)

Ciclos de Potência a Vapor

Ciclo Rankine - Definição;

Diagrama T-s para o Ciclo Rankine;

Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Rankine;

Parâmetros Principais de Operação;

Ciclo Rankine com Reaquecimento;

(4)
(5)

É o ciclo ideal das usinas de potência a vapor.

Não envolve nenhuma irreversibilidade interna.

Consiste em quatro processos:

Compressão isoentrópica em uma bomba;

Fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira;

Expansão isoentrópica em uma turbina;

Rejeição de calor a pressão constante em um condensador.

(6)

Ciclo Rankine Ideal

Gerador de Vapor Turbina a vapor Bomba Condensador 3 1 2 4 WT WB (combustível) QL QH = mcPCI

(7)

Ciclo Rankine Ideal

A água entra na bomba no estado 3

como líquido saturado.

É comprimida de maneira isoentrópica até a pressão de operação da caldeira.

A água entra na caldeira como líquido comprimido (estado 4) e sai como vapor superaquecido (estado 1).

O vapor d’água superaquecido entra na turbina, onde ocorre a expansão isoentrópica e produção de trabalho.

(8)

Ciclo Rankine Ideal

Calor é rejeitado para um meio de resfriamento (lago, rio, atmosfera).

Água deixa o condensador como líquido saturado (estado 3) e entra na bomba completando o ciclo.

Nesse processo, a pressão e a temperatura caem até os valores do estado 2, no qual o vapor (mistura) entra no condensador.

O vapor é condensado a pressão constante.

(9)
(10)

T

Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s

1 2 3 4

q

e

q

s

w

bomba, e

w

turbina, s

(11)

T

Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s

1

2 3

4

(12)

Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s

T

s

1 2 3 4

Q

H

(13)

T

Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s

1

2 3

(14)
(15)

Ciclo Rankine Ideal

dt

dm

m

m

vc n 1 i s n 1 i e

 

dt

dE

gz

2

V

h

m

gz

2

V

h

m

W

Q

vc n 1 i s 2 s s s n 1 i e 2 e e e vc vc









 

 Hipóteses adotadas:

Regime permanente;

Equação de conservação da massa:

(16)

Ciclo Rankine Ideal

0

m

m

e

s

0

h

m

h

m

W

Q

vc

vc

e e

s s

Equação de conservação da massa:

Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica):

e s s e s e

q

)

(

w

w

)

h

h

q

(

(17)

Ciclo Rankine Ideal

Gerador de Vapor 1 4 (combustível) QH = mcPCI

Gerador de Vapor (Caldeira):

0

h

m

h

m

Q

H

4 4

1 1

0

m

m

4

1

(18)

Ciclo Rankine Ideal

Turbina a vapor 1 2 WT Turbina a Vapor

0

h

m

h

m

W

T

1 1

2 2

0

m

m

1

2

(19)

Ciclo Rankine Ideal

Condensador 3 2 QL Condensador

0

h

m

h

m

Q

L

2 2

3 3

0

m

m

2

3

(20)

Ciclo Rankine Ideal

Bomba 3 4 WB Bomba

0

h

m

h

m

W

b

3 3

4 4

0

m

m

3

4

(21)

Ciclo Rankine Ideal

Gerador de Vapor Turbina a vapor Bomba Condensador 3 1 2 4 WT (combustível) QL QH = mcPCI

(22)

Ciclo Rankine Ideal

Para cada equipamento, temos:

Gerador de Vapor (Caldeira):

0

h

m

h

m

Q

H

4 4

1 1

0

m

m

4

1

Turbina a Vapor

0

h

m

h

m

W

T

1 1

2 2

0

m

m

1

2

Condensador

0

h

m

h

m

Q

L

2 2

3 3

0

m

m

2

3

Bomba

0

h

m

h

m

W

b

3 3

4 4

0

m

m

3

4

(23)

b T

W

W

W

PCI

m

Q

H

c H

Q

W

Ciclo Rankine Ideal

Assim, é possível definir a eficiência de um ciclo Rankine ideal:

(24)

Como aumentar a eficiência do

Ciclo Rankine?

(25)
(26)

Usinas de potência a vapor são as responsáveis pela produção da

maior parte da energia elétrica do mundo.

Portanto, ganhos de eficiência térmica podem significar uma grande economia na necessidade de combustível, e conseqüentemente, ganhos ambientais.

Há três maneiras de aumentar a eficiência térmica:

Superaquecendo o vapor (aumento de THmed);

Aumentando a pressão da caldeira (aumento de THmed);

Diminuindo a pressão do condensador (diminuição de TLmed).

(27)

Diminuição da Pressão no Condensador

T

(28)

Influência na Eficiência do Ciclo

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,250 0,255 0,260 0,265 0,270 0,275 0,280 ef ic iê n ci a d e 1 º L ei ( % )

(29)

Influência na Potência Líquida do Ciclo

Diminuição da pressão no condensador:

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 900 925 950 975 1000 tr ab al h o e sp ec íf ic o ( k W /k g )

(30)

Diminuição da Pressão no Condensador

É possível diminuir a pressão do condensador abaixo da pressão

atmosférica.

Entretanto, essa diminuição tem efeitos colaterais:

cria a possibilidade da infiltração de ar ambiente para o interior do condensador;

aumenta a umidade do vapor nos estágios finais da turbina;

a presença de grandes quantidades de umidade é altamente indesejada nas turbinas, pois diminui sua eficiência e provoca

T

s Pc

(31)

Aumento da Temperatura na Caldeira

T

Pg

(32)

Influência na Eficiência do Ciclo

0,250 0,255 0,260 0,265 0,270 0,275 0,280 0,285 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 E fi ci ên ci a d e 1 º L ei ( % )

(33)

Influência na Potência Líquida do Ciclo

Aumento da temperatura no gerador de vapor (caldeira):

900 950 1000 1050 1100 1150 1200 tr ab al h o e sp ec íf ic o ( k J/ k g )

(34)

Aumento da Temperatura na Caldeira

É possível aumentar a temperatura do vapor e, conseqüentemente,

aumentar a eficiência térmica.

Além disso, esse aumento diminui o conteúdo de umidade do vapor na saída da turbina.

Porém, a temperatura em que o vapor poderá ser aquecido é limitada por

considerações metalúrgicas (Tmáx = 620°C).

Possível solução é o desenvolvimento de novos materiais.

T

s Pg

(35)

Aumento da Pressão da Caldeira

T

Pg

(36)

Influência na Eficiência do Ciclo

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 ef ic iê n ci a d e 1 º L ei ( % )

(37)

Influência na Potência Líquida do Ciclo

725 750 775 800 825 850 875 900 925 950 975 T ra b al h o e sp ec if ic o ( k W /k g )

(38)

Aumento da Pressão da Caldeira

É possível aumentar a pressão da caldeira e, conseqüentemente,

aumentar a eficiência térmica.

Porém, o conteúdo de umidade aumenta.

Esse efeito colateral pode ser resolvido pelo reaquecimento do vapor.

Alternativas:

Superaquecer o vapor antes dele entrar na turbina (há limitações metalúrgicas);

(39)
(40)

Ciclo Rankine com Reaquecimento

3 1 2 4 WT2 WB QL QH=mcPCI WT1

(41)
(42)

Ciclo Rankine Regenerativo

Aumentar a temperatura do líquido que sai da bomba (água de

alimentação), antes que ele entre na caldeira.

Um processo prático de regeneração é realizado pela extração de vapor da turbina em diversos pontos.

A regeneração não apenas melhora a eficiência do ciclo, mas também oferece um meio conveniente de desaerar a água de alimentação, evitando a corrosão da caldeira.

(43)

Ciclo Rankine Regenerativo

3 1 2 4 WT W QL QH=mcPCI Trocador de Calor

(44)
(45)

Ciclo Rankine Real

T

1 2 3 4

Perda de pressão no ger. de vapor

Irreversibilidade gerada na turbina Irreversibilidade

(46)
(47)

Exercícios

1) Considere uma usina de potência a vapor de água operando segundo um ciclo de Rankine ideal. O vapor entra na turbina a 5 MPa e 350ºC e é condensado no condensador à pressão de 75 kPa. Determine a eficiência térmica desse ciclo. (0,2867)

2) Considere uma usina a vapor de água operando segundo o ciclo de Rankine ideal. Vapor entra na turbina a 5 MPa e 450ºC e o condensador opera a 10 kPa. Determine (a) a eficiência térmica dessa usina; b) a eficiência térmica se o vapor for superaquecido a 600 ºC em vez de 450ºC, e c) a eficiência térmica se a pressão da caldeira for elevada até 15 MPa enquanto a temperatura na entrada da turbina é mantida a 600ºC. a) 0,3692; b) 0,3924; c) 0,4303

3) Utilizando os dados do exemplo 1, qual seria a eficiência térmica desse ciclo se as eficiências isentrópicas da bomba e da turbina

(48)

Exercícios

1) Um ciclo com reaquecimento usa água como fluido de trabalho. O vapor deixa a caldeira e entra na turbina a 4,0 MPa e 400 °C. O vapor expande até 400 kPa na turbina de alta pressão, é reaquecido a 400°C e expande novamente na turbina de baixa pressão, até 10 kPa. Determine o rendimento do ciclo.

2) Considere um ciclo regenerativo que utiliza água como fluido de trabalho. O vapor deixa a caldeira e entra na turbina a 4,0 MPa e 400 °C. Após a expansão até 400 kPa, parte do vapor é extraída da turbina com o propósito de aquecer água de alimentação num aquecedor de mistura.

A pressão no aquecedor da água de alimentação é igual a 400kPa e a água na seção de saída do equipamento está no estado de líquido saturado a 400 kPa. O vapor não extraído é expandido na turbina até a pressão de 10 kPa. Determine o rendimento do ciclo.

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