Universidade Federal do ABC
BC1309
Termodinâmica Aplicada
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;
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.Ciclo Rankine Ideal
Gerador de Vapor Turbina a vapor Bomba Condensador 3 1 2 4 WT WB (combustível) QL QH = mcPCICiclo 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.
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.
T
Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s
1 2 3 4
q
eq
sw
bomba, ew
turbina, sT
Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s
12 3
4
Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s
T
s
1 2 3 4Q
HT
Ciclo Rankine Ideal – Diagrama T-s
12 3
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:
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
(
Ciclo Rankine Ideal
Gerador de Vapor 1 4 (combustível) QH = mcPCIGerador de Vapor (Caldeira):
0
h
m
h
m
Q
H
4 4
1 1
0
m
m
4
1
Ciclo Rankine Ideal
Turbina a vapor 1 2 WT Turbina a Vapor0
h
m
h
m
W
T
1 1
2 2
0
m
m
1
2
Ciclo Rankine Ideal
Condensador 3 2 QL Condensador0
h
m
h
m
Q
L
2 2
3 3
0
m
m
2
3
Ciclo Rankine Ideal
Bomba 3 4 WB Bomba0
h
m
h
m
W
b
3 3
4 4
0
m
m
3
4
Ciclo Rankine Ideal
Gerador de Vapor Turbina a vapor Bomba Condensador 3 1 2 4 WT (combustível) QL QH = mcPCICiclo 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 Vapor0
h
m
h
m
W
T
1 1
2 2
0
m
m
1
2
Condensador0
h
m
h
m
Q
L
2 2
3 3
0
m
m
2
3
Bomba0
h
m
h
m
W
b
3 3
4 4
0
m
m
3
4
b T
W
W
W
PCI
m
Q
H
c HQ
W
Ciclo Rankine Ideal
Assim, é possível definir a eficiência de um ciclo Rankine ideal:
Como aumentar a eficiência do
Ciclo Rankine?
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).
Diminuição da Pressão no Condensador
T
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 ( % )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 )
Diminuição da Pressão no Condensador
É possível diminuir a pressão do condensador abaixo da pressãoatmosférica.
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
Aumento da Temperatura na Caldeira
T
PgInfluência 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 ( % )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 )
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 porconsiderações metalúrgicas (Tmáx = 620°C).
Possível solução é o desenvolvimento de novos materiais.
T
s Pg
Aumento da Pressão da Caldeira
T
PgInfluência 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 ( % )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 )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);
Ciclo Rankine com Reaquecimento
3 1 2 4 WT2 WB QL QH=mcPCI WT1Ciclo 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.
Ciclo Rankine Regenerativo
3 1 2 4 WT W QL QH=mcPCI Trocador de CalorCiclo Rankine Real
T
1 2 3 4Perda de pressão no ger. de vapor
Irreversibilidade gerada na turbina Irreversibilidade
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
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.