CICLOS DE POTÊNCIA E DE REFRIGERAÇÃO

(1)

ZEA0466 - Termodinâmica

CICLOS DE POTÊNCIA E DE REFRIGERAÇÃO

Processo reversível ADIABÁTICO → sg,int = 0 e qvc = 0

•  2ª Lei da Termodinâmica:

•  Relação entre propriedades:

•  1ª Lei da Termodinâmica (Δecin, Δepot desprezíveis):

= ∫

− ^sai

entra entra

sai h vdP

h

TRABALHO DE EIXO: PROCESSO REVERSÍVEL

entra

sai s

s =

− ∫

≅ ^sai

entra

dP v w

Processo reversível ISOTÉRMICO → sg,int = 0 e T = const

•  2ª Lei da Termodinâmica:

•  Relação entre propriedades:

•  1ª Lei da Termodinâmica (Δecin, Δepot desprezíveis):

) (_sai _entra

vc vc entra

sai q Ts s

T s q

s − = ⇒ = −

− ∫

=

−

sai entra entra

sai ) d

(h h v P

q

− ∫

=

sai entra

dP v w OBS: expansão / compressão → =∫

f i

dv P w

ZEA0466 - Termodinâmica FONTE: Moran et al (2005)

(2)

FLUIDO OPERANTE EM CICLO FECHADO

trabalho de eixo trabalho de

bombeamento calor fornecido

calor rejeitado CALDEIRA

CONDENSADOR

TURBINA BOMBA

líquido frio a

alta pressão vapor vivo a alta pressão

vapor exausto a baixa pressão líquido frio a

baixa pressão

FLUIDO OPERANTE EM CICLO ABERTO

trabalho de eixo trabalho de bombeamento calor fornecido

CALDEIRA TURBINA BOMBA

líquido frio a alta

pressão

vapor vivo a alta pressão líquido frio

a baixa pressão

vapor exausto a baixa pressão

trabalho de eixo trabalho de compressão calor fornecido

CÂMARA DE

COMBUSTÃO TURBINA COMPRESSOR

gás frio a alta pressão

produtos a alta pressão gás frio

a baixa pressão

produtos a baixa pressão combustível

REVISÃO: CICLO DE CARNOT (motor térmico)

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CICLO DE CARNOT → IMPLEMENTAÇÃO Já que o ciclo de Carnot é

o que leva ao maior rendimento (posto que elimina irreversibilidades),

por que não é empregado na prática???

Duas razões principais:

•  Etapa 4-1: dificuldades para bombear mistura líquido-vapor

•  Etapa 2-3: possibilidade de superaquecimento (visando a realização de trabalho)

CICLO RANKINE ID EAL

•  Aquecimento isobárico (1→2)

•  Trabalho de eixo isentrópico (2→3)

•  Condensação isobárica (3→4)

•  Bombeamento isentrópico (4→1)

Eficiência térmica:

H b t H

b th t

H net H net th

q w w Q

W W

q w Q W

= −

= − η

↓

=

= η

!

CICLO RANKINE: PRESSÃO E TEMPERATURA

Redução da pressão de saída:

•  Aumento da eficiência térmica

•  Redução do título da mistura

Aumento da pressão de entrada:

•  Redução do título da mistura

Superaquecimento do vapor:

•  Aumento do título da mistura

(4)

CICLO RANKINE → IRREVERSIBILIDADES

Perdas associadas à TUBULAÇÃO:

•  Redução de pressão (perda de carga) devido ao atrito

•  Transferência de calor à vizinhança

Perdas associadas à TURBINA:

•  Irreversibilidades no escoamento do fluido

•  Transferência de calor à vizinhança ^isentr

real

turb

w

= w η

Perdas associadas à BOMBA:

•  Irreversibilidades no escoamento do fluido

•  Transferência de calor à vizinhança ^real

isentr bomba

w

= w η

Perdas associadas ao CONDESADOR:

•  Resfriamento abaixo de T_saturação

CICLO DE POTÊNCIA A AR → CICLO PADRÃO

Motor de combustão interna

↓

Mudança da composição do fluido

CICLO A AR PADRÃO → hipóteses:

•  Fluido operante: massa fixa de ar (gás ideal) ao longo de todo o ciclo

•  Combustão: substituída por uma troca de calor com RT quente (TH)

•  Exaustão: substituída por uma troca de calor com RT frio (TL)

•  Processos: internamente reversíveis

•  Complementar: ar com cp = constante

k

r

k

T T

P P r c c k

h h

h h q q

/ ) 1 (

A B p v p

B C

A D H L th

1 1

/ /

1 1

−

=

−

=

↓

=

−

− −

=

−

=

η η CICLO BRAYTON

CICLO BRAYTON IDEAL:

•  Compressão isentrópica (A→B)

•  Aquecimento isobárico (B→C)

•  Trabalho isentrópico (C→D)

•  Resfriamento isobárico (D→A)

Eficiência térmica:

(5)

CICLO BRAYTON → IRREVERSIBILIDADES

Perdas associadas a:

•  Tubulação → queda de pressão, troca de calor c/ meio

•  Turbina → escoamento não-ideal, troca de calor c/ meio

•  Compressor → escoamento não-ideal, troca de calor c/ meio

•  Câmara combustão → queda de pressão, troca de calor

1 2

1 2s real isentr compr

h h

h h w w

−

= −

= η

P P P P P

P

3

=

2

− Δ ,

1

=

4

− Δ ʹ

4s 3

4 3 isentr

real

turb

h h

h h w

w

−

= −

= η

DEMAIS CICLOS DE POTÊNCIA A AR

http://www.kruse-ltc.com/Otto/otto_cycle.php

CICLO DE REFRIGERAÇÃO / BOMBA DE CALOR

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CICLO DE REFRIGERAÇÃO / BOMBA DE CALOR

Implementação do ciclo no interior do domo

↓ Ciclo de Carnot

Dificuldades de implementação:

•  Etapa 3-4: mistura L+V de baixo título → pouco trabalho (substituição da turbina por um dispositivo de expansão)

•  Etapa 1-2: mistura L+V → dificuldades de compressão (conveniente lidar apenas c/ fase vapor → superaquecimento)

CICLO DE REFRIGERAÇÃO / BOMBA DE CALOR

Ciclo de refrigeração ideal:

•  Compressão isentrópica (1→2)

•  Troca de calor isobárica (2→3)

•  Expansão isentálpica (3→4)

•  Troca de calor isobárica (4→1)

Coeficiente de performance:

c H b.calor

c refrig L

w COP q

=

CICLO DE REFRIGERAÇÃO / BOMBA DE CALOR

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CICLO DE REFRIGERAÇÃO / BOMBA DE CALOR

Irreversibilidades associadas a:

•  Compressor → transferência de calor para / a partir do meio

•  Condensador → queda de pressão, temperatura < saturação

•  Tubulação → queda de pressão, troca de calor com o meio

•  Evaporador → queda de pressão, troca de calor com o meio