Energia térmica - aula 1

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Universidade Paulista
Energia Térmica
Aula 1 
Curso Engenharia Mecânica
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Sistemas de Potência a Vapor
Uma meta importante em Engenharia Mecânica é conceber sistemas
que efetuem tipos de conversão de energia desejados.
https://pixabay.com/photos/power-plant-coal-fired-power-
plant-2153892/
https://pixabay.com/photos/architecture-industry-1639990/
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Relembrando: O Ciclo de Carnot
O ciclo de Carnot é um ciclo ideal que não consegue ser reproduzido
na prática devido a problemas que causa nos equipamentos
industriais.
No ciclo de Carnot o ponto 3 (entrada da bomba) contém uma mistura
líquido-vapor.
Passagens
1→2: turbina
2→3: condensador
3→4: bomba
4→1: caldeira
turbinabomba
condensador
caldeira
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Relembrando: O Ciclo de Carnot
turbinabomba
condensador
caldeira
Para efetuar a compressão da mistura
líquido-vapor que sai do condensador
(ponto 3) na prática, seria necessário a
separação das duas fases e a
compressão do gás num compressor e a
compressão do líquido por uma bomba
hidráulica para depois juntar novamente
estas duas fases na entrada da caldeira.
Em termos econômicos essa solução
seria inviável. Além disso, se gasta mais
energia para comprimir um gás do que
para pressurizar um líquido. Desta
forma, é mais fácil condensar toda
mistura líquido-vapor que sai da turbina
e pressurizar o líquido.
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O Ciclo de Rankine
O ciclo de Rankine é uma modificação do ciclo de Carnot com a
modificação de o ponto 3 estar no estado de líquido saturado.
Ponto 3: deslocado 
para a linha de 
líquido saturado
Ponto 4: estado da água que 
entra na caldeira
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O Ciclo de Rankine
Usina a vapor: empregada para geração de eletricidade,
Motor a vapor: empregada para locomoção.
Em ambos os casos, é a instalação típica para grande demanda
energética.
No caso de transporte, foi suplantada por motores mais eficientes e
compactos, mas já foi muito comum em trens e navios.
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Análise do Ciclo de Rankine
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Análise do Ciclo de Rankine
Turbina
O vapor proveniente da Caldeira (1) possui
valores de T e P elevados, porém se expande
através da turbina para produzir trabalho e então
é descarregado no condensador (2) com uma
pressão relativamente mais baixa.
Aplicando balanço de massa e energia:
Desprezando as TC para as vizinhanças, os balanços das taxas de
massa e energia para um VC será:
0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 +
𝑣1
2 − 𝑣2
2
2
+ 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 )
𝑊𝑇
ሶ𝑚
= (ℎ1 − ℎ2)
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Análise do Ciclo de Rankine
Condensador
Ocorre a TC do vapor para a água de
arrefecimento escoando em uma corrente
separada.
O vapor se condensa e a temperatura da água
de arrefecimento aumenta.
Aplicando balanço de massa e energia:
Em regime estacionário, os balanços das taxas de massa e de energia,
para VC
0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 +
𝑣1
2 − 𝑣2
2
2
+ 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 )
𝑄𝑠𝑎í𝑑𝑎
ሶ𝑚
= (ℎ2 − ℎ3)
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Análise do Ciclo de Rankine
Bomba
O líquido condensado que deixa o
condensador em 3 é bombeado do
condensador para o interior da caldeira a uma
pressão mais elevada.
Aplicando balanço de massa e energia:
Admitindo-se um VC envolvendo a bomba e, admitindo-se também que
não ocorra troca de calor alguma com a vizinhança, os balanços das
taxas de massa e energia fornecem:
0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 +
𝑣1
2 − 𝑣2
2
2
+ 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 )
𝑊𝐵
ሶ𝑚
= (ℎ4 − ℎ3)
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Análise do Ciclo de Rankine
Caldeira
O fluido de trabalho completa um ciclo quando
o líquido que sai da bomba em 4, denominado
água de alimentação da caldeira é aquecido
até a saturação e evaporado na caldeira.
Aplicando balanço de massa e energia:
Tomando um volume de controle envolvendo dutos e os tubulões da
caldeira eu transportam água de alimentação do estado 4 para o estado
1, os balanços das taxas de massa e energia fornecem:
0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 +
𝑣1
2 − 𝑣2
2
2
+ 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 )
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
ሶ𝑚
= (ℎ1 − ℎ4)
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Exemplo 1Exemplo
Calcular o rendimento do ciclo de Rankine conhecendo-se a
pressão da caldeira, P1=50 Kgf/cm
2, e a do condensador, P2=0,5
Kgf/cm2. Sabe-se que o vapor entra saturado na turbina e que a
água que sai do condensador está saturada.
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Exemplo 1Exemplo
Solução: Vamos usar as tabelas termodinâmicas para a resolução
desse problema.
Ponto 1 – é vapor saturado à P1=50 Kgf/cm
2
Logo, da tabela: h1=2794,22 kJ/Kg e s1=5,9733 kJ/Kg.K
Ponto 2 está a pressão P2=0,5 Kgf/cm
2 e como o ponto 1 e 2 são
isentrópicos, isso quer dizer:
s2=s1=5,9733 kJ/Kg.K
Usaremos a equação s2=sL+x2(sv-sL) para determinamos o valor do
título (x2).
Da Tabela para a P2=0,5 Kgf/cm
2 extraímos os valores da entalpia e da
entropia do líquido e do vapor saturado: sv=7,5939kJ/Kg.K, sL=1,09106
kJ/Kg.K, hL=340,47kJ/Kg e hV= 2645,87kJ/Kg. Agora calcularemos x2
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Exemplo 1Exemplo
e depois calculamos o valor da entalpia no ponto 2 :
ℎ2 = ℎ𝐿 + 𝑥2(ℎ𝑉 − ℎ𝐿)
ℎ2 = 340,47
𝑘𝐽
𝐾𝑔
+ 0,751(2645,87 − 340,47)
𝑘𝐽
𝐾𝑔
ℎ2 = 2071,83
𝑘𝐽
𝐾𝑔
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Exemplo 1Exemplo
Ponto 3 é líquido saturado à pressão de P2=0,5 Kgf/cm
2, isso quer
dizer:
Ponto 4
A eficiência térmica agora pode ser calculada:
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Exemplo 2Exemplo
As usinas termelétricas geram
eletricidade a partir de turbinas
movidas a vapor. O ciclo de
Rankine é um ciclo termodinâmico
ideal que pode ser utilizado para
modelar, de forma simplificada,
uma usina termelétrica. A figura
abaixo mostra de forma
esquemática os elementos
básicos de um ciclo de Rankine
simples ideal. Considerando que
algumas usinas termelétricas que
utilizam turbinas a vapor podem
ser encontradas próximas a
grandes reservatórios de água,
como rios e lagos, analise as
seguintes afirmações.
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Exemplo 2Exemplo
As usinas termelétricas geram eletricidade a partir de turbinas movidas
a vapor. O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico ideal que pode
ser utilizado para modelar, de forma simplificada, uma usina
termelétrica. A figura abaixo mostra de forma esquemática os
elementos básicos de um ciclo de Rankine simples ideal.
Considerando que algumas usinas
termelétricas que utilizam turbinas
a vapor podem ser encontradas
próximas a grandes reservatórios
de água, como rios e lagos, analise
as seguintes afirmações.
I. O ciclo de Rankine simples mostrado
na figura não prevê a reutilização da
energia que é rejeitada no
condensador e, por isso, tem um
rendimento comparável ao de um ciclo
de Carnot que opera entre as mesmas
temperaturas ambiente.
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Exemplo 2Exemplo
II. Historicamente, a instalação de algumas usinas próximas a grandes rios se
dá devido à necessidade de remover calor do ciclo, por intermédio da
transferência de calor que ocorre no condensador, porém com implicações ao
meio ambiente.
III. Em usinas que utilizam combustíveis fósseis, o vapor gerado na caldeira é
contaminado pelos gases da combustão e não é reaproveitado no ciclo, sendo
mais econômico rejeitá-lo, causando impacto ambiental.
IV. Entre as termelétricas, as usinas nucleares são as únicas que não causam
impacto ambiental, exceto pela necessidade de se armazenar o lixo nuclear
gerado.
É correto apenas o que se afirma em
(a) I
(b) II
(c) I e III
(d) II e IV
(e) II, III e IV
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Exercícios Propostos
Exercício 1 – Uma planta de potência a vapor opera em um ciclo
Rankine com vapor saturadoa 3,0 MPa na saída da caldeira. A pressão
de exaustão da turbina para o condensador é igual a 10 kPa. Calcule o
trabalho específico na turbina.
a) 845,8 kJ/kg
b) 906,5 kJ/kg
c) 876,8 kJ/kg
d) 475,9 kJ/kg
e) 965,4 kJ/kg
Resposta: a
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Exercícios Propostos
Exercício 2 – Uma planta opera em um ciclo Rankine com a água na
caldeira a 3,0 MPa e a maior e menor temperatura do ciclo sendo 450°C
e 45°C, respectivamente. Calcule a eficiência da planta e a eficiência do
ciclo de Carnot que opera entre os mesmos limites de temperatura.
a) η=0,349; ηC=0,25.
b) η=0,349; ηC=0,56.
c) η=0,349; ηC=0,45.
d) η=0,314; ηC=0,56.
e) η=0,225; ηC=0,25.
Resposta: b
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Exercícios Propostos
Exercício 3 – Utiliza-se vapor como fluido de trabalho em um ciclo ideal
de Rankine. O vapor saturado entra na turbina a 8,0 Mpa e o líquido
saturado sai do condensador a uma pressão de 0,008 Mpa. A potência
líquida de saída do ciclo é de 100 MW. Determine para o ciclo a vazão
mássica de vapor, em kg/h.
a) 2,77.105 kg/h
b) 3,77.104 kg/h
c) 3,05.105 kg/h
d) 3,05.103 kg/h
e) 3,77.105 kg/h
Resposta: e
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FIM !