Ciclo Motores e de Refrigeração

Prévia do material em texto

CAPÍTULO 11 - Ciclo Motores e de Refrigeração
● Ideia de ciclo aberto e ciclo fechado:
○ Ciclo aberto → fluido não passa por um ciclo termodinâmico.
■ Mas o equipamento opera em ciclo.
○ Ciclo fechado → fluido de trabalho passa por uma série de processos.
■ No final volta para o estado inicial.
● Introdução aos ciclos de potência:
○ Porque estucar os ciclos de potência?
■ Buscar aumento de rendimento do ciclo.
■ Quanto maior o rendimento → a energia é melhor aproveitada.
● Ciclo Rankine:
○ É um ciclo ideal para centrais térmicas.
■ Não há perdas.
■ Produção de potência.
■ Opera na região de saturação.
○ Regime permanente.
○ A ideia é produzir trabalho na turbina.
○ Quatro componentes principais:
■ Caldeira → acrescentar calor ao fluido.
■ Turbina → produção de trabalho.
■ Condensador → retirar calor do fluido.
➢ Resfriamento a pressão constante.
➢ Não pode entrar vapor na bomba → A função dele é
condensar o restante do gás que sai da turbina.
○ Bomba → acrescentar trabalho ao fluido.
○ Diagrama termodinâmico:
■ 1 → alta pressão.
➢ Estado de vapor superaquecido.
■ 2 → pressão diminui.
➢ Expansão do fluido.
➢ 0<x<1.
■ 3 → líquido saturado.
■ 4 → pressão mais alta.
➢ Líquido subesfriado.
○ Processos:
■ Para cálculo dos calores e trabalho → aplicação da 1ª lei.
■ Em 1: T1, p1, s1.
■ Em 2: T2, p2, x2.
➢ Nesse ponto s1 = s2.
■ Em 3: v3, s3.
➢ p3 = p2.
■ Em 4:
➢ p4 = p1.
➢ s4 = s3.
➢ v4 = v3.
○ Relação de entalpia na bomba:
■ Processo incompressível e isoentrópico:
■ Sendo s3 = s4.
→ℎ
4
− ℎ
3
=
3
4
∫ 𝑣𝑑𝑝 ℎ
4
− ℎ
3
= 𝑣(𝑝
4
− 𝑝
3
)
○ Aplicação da 1ª lei:
■ Caldeira:
■ Turbina:
■ Condensador:
■ Bomba:
○ Eficiência total:
η =
𝑊
𝑙𝑖𝑞
𝑞
𝑐𝑎𝑙𝑑
■ 𝑊
𝑙𝑖𝑞
= 𝑊
𝑡𝑢𝑟𝑏
− 𝑊
𝑏𝑜𝑚
■ Trabalho por unidade de massa:
➢ 𝑤
𝑡𝑢𝑟𝑏
= ℎ
1
− ℎ
2
➢ 𝑤
𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
= ℎ
4
− ℎ
3
➢ 𝑞
𝑐𝑜𝑙𝑑
= ℎ
1
− ℎ
2
● Ciclo Rankine com reaquecimento:
○ Como aumentar eficiência do ciclo:
■ Aumentando a temperatura na saída da caldeira.
➢ Aumentando o título.
➢ Aumentando a área de trabalho líquido.
■ Reduzindo a pressão na saída da turbina.
➢ Novamente aumentando a área do trabalho líquido.
○ Desvantagens desse método:
■ Reduzir a pressão → aumenta a umidade.
➢ Diminui o título de vapor.
■ Aumento da temperatura da caldeira não é interessante em
alguns casos. → causar danos.
○ Uso do ciclo com reaquecimento:
■ Reduz a quantidade de líquido na turbina e aumenta o
rendimento.
○ Ciclo em si: tem um novo estágio.
■ Gera uma nova turbina:
➢ Baixa pressão e alta pressão.
■ Antes do fluido ir para o condensador ele volta para a caldeira.
○ Diagrama Txs:
○ Vantagens:
■ Título de vapor na saída da turbina é maior.
➢ Se não tivesse essa pressão intermediária o título seria
menor.
■ Maior rendimento em relação ao Rankine simples.
○ Pontos importantes:
■ 5: T5, p5, s5.
■ 6: T6, p6, x6.
➢ s5 = s6.
➢ Processo adiabático.
■ 1: p1 = p6.
➢ Dentro da bomba o processo é isoentrópico.
➢ Mesma ideia usada no processo simples.
■ 3: T4, p4.
➢ s3 = s4.
■ 4: p4 = p5.
○ Sendo s1 = s2
→ℎ
2
− ℎ
1
=
1
2
∫ 𝑣𝑑𝑝 ℎ
2
− ℎ
1
= 𝑣(𝑝
2
− 𝑝
1
)
○ Relações entre energias:
■ Caldeira:
■ Turbina:
■ Condensador:
■ Bomba:
○ Eficiência total:
η =
𝑊
𝑙𝑖𝑞
𝑞
𝑐𝑎𝑙𝑑
=
𝑊
𝑡𝑢𝑟𝑏
−𝑊
𝑏𝑜𝑚
𝑞
𝑐𝑎𝑙𝑑
● Ciclo de Brayton:
○ Ciclo motor → produzir energia.
○ Ciclo gás ideal → possibilita o uso de 𝑝𝑣 = 𝑛𝑅𝑇
○ Fluido gasoso ao longo de todo o ciclo.
■ Não há mudança de fase.
○ Ciclo de Brayton fechado:
○ Diagramas envolvidos:
○ Processos:
■ 1 → 2: aumento da pressão e redução do volume.
➢ Processo isoentrópico e adiabático.
➢ Temperatura aumenta.
■ 2 → 3: pressão constante.
➢ Volume e entropia aumentam
➢ Temperatura aumenta.
■ 3 → 4: volume aumenta e pressão diminui.
➢ Processo isoentrópico e adiabático.
➢ Temperatura diminui.
■ 4 → 1: retirada de fluido
➢ Pressão constante, temperatura diminui, entropia diminui.
○ Equações:
■ 1 → 2:
, e
𝑝
2
𝑝
1
=
𝑣
1
𝑣
2
( )𝑘 𝑇2𝑇
1
=
𝑝
2
𝑝
1
( )
𝑘−1
𝑘
𝑤
𝑐
= 𝑐
𝑝
(𝑇
2
− 𝑇
1
)
■ 2 → 3:
,𝑞
𝑞
= 𝑐
𝑝
(𝑇
3
− 𝑇
2
)
𝑇
3
𝑇
2
=
𝑣
3
𝑣
2
■ 3 → 4:
,
𝑝
3
𝑝
4
=
𝑣
4
𝑣
3
( )𝑘 𝑤𝑡 = 𝑐𝑝(𝑇3 − 𝑇4)
■ 4 → 1:
,𝑞
𝑓
= 𝑐
𝑝
(𝑇
4
− 𝑇
1
)
𝑇
4
𝑇
1
=
𝑣
4
𝑣
1
○ Eficiência:
η = 1 −
𝑄
𝑓
𝑄
𝑞
○ Ciclo aberto:
■ Fluxo constante de entrada e saída de fluido.