AULA 02 Vapor_U1

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14/03/2022 10:48 ger_dis_vap_u1_s2_wa
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Nesta webaula compreender as principais características de um ciclo de geração de potência constituído
pelo ciclo de Rankine, analisar suas perdas e irreversibilidades e determinar sua eficiência. 
Essa importância se deve ao fato desse sistema fornecer a energia necessária aos equipamentos de
processo da indústria mediante a queima de um combustível apropriado. A análise da eficiência de um
sistema de potência a vapor consiste em realizar balanços de massa e de energia aliados à segunda lei da
Termodinâmica. 
O sistema de geração de potência a vapor constitui um importante sistema utilizado em indústrias
como usinas de álcool e açúcar, refinarias de petróleo, companhias de papel e celulose entre muitas
outras empresas. 
Tais balanços podem ser aplicados no sistema global e em cada equipamento constituinte do processo
de geração de vapor. O modelo termodinâmico que se origina desses balanços é denominado de ciclo
Rankine. 
Vamos analisar o sistema para geração de potência a vapor apresentado na imagem a seguir.
Desconsiderando perda de calor para o ambiente, a direção indicada pelas setas é a direção positiva
para a transferência de energia e os números de 1 a 4 representam os estados de referência do fluido de
trabalho no ciclo em análise. 
Geração e Distribuição de Vapor  
Ciclo de Rankine 
Unidade 1 - Seção 2 
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Fonte: MORAN et al. (20, p. 358) 
O estado 1 é formado por vapor produzido na caldeira e caracterizado por um estado de elevada
pressão e temperatura. O vapor se expande ao longo da turbina, cedendo parte de sua energia para
a produção de trabalho útil por meio da rotação do eixo do equipamento. 
Ao deixar a turbina no estado 2, o vapor encontra-se com temperatura e pressão menores,
podendo, inclusive, apresentar condensado (também denominado de título ou de qualidade). 
A qualidade do vapor na saída da turbina é determinada termodinamicamente, isto é, a condição de
equilíbrio entre o vapor e o condensado na saída da turbina é calculada por meio de uma
propriedade termodinâmica (considerando a saturação). Normalmente, a propriedade escolhida é a
entropia S, pois permite avaliar os casos ideais (isentrópicos) e o caso real (com irreversibilidades).
A expressão que determina a qualidade do vapor é dada por: 
.x2 =
s2−s
sat
liq
ssatvap−s
sat
liq
Ciclo de Rankine na ausência de irreversibilidades  
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Considere um ciclo ideal de Rankine quando não há presença de forças dissipativas como, por exemplo,
a ausência de fricção (atrito) no escoamento do fluido. Além disso, outras irreversibilidades que devem
estar ausentes são: ausência de perda de calor para o ambiente, conversão de energia em trabalho
isentropicamente pela turbina e bombeamento ideal. 
Diagrama T-s para o ciclo de Rankine ideal 
Fonte: MORAN et al. (2018, p. 361) 
 
Processo de transferência de calor a pressão constante na caldeira (de 4 para o ponto a tem-se o
aquecimento do líquido subresfriado até a saturação, de a para 1 ocorre sua vaporização e; quando o
vapor é superaquecido atinge o estado 1’ condensando até 2’ na saída da turbina, temos uma melhoria
do desempenho do ciclo, chamado de superaquecimento). Normalmente, a entalpia do estado 2 é
desconhecida pois não sabemos a quantidade de vapor que condensa durante o processo de expansão
na turbina. A determinação dessa propriedade pode ser feita utilizando uma regra de mistura e a
qualidade do vapor conforme apresentado na seguinte expressão: 
.
do Estado 1 para 2: Processo do Estado 2 para 3: 
h2 =(1 − x2). h
sat
liq
+ x2. h
sat
vap
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No ciclo de Rankine, as irreversibilidades atuam nos processos de 1 para 2 e de 3 para 4, pois os
processos que produzem e utilizam o trabalho não são isentrópicos devido às forças dissipativas do
sistema. Nos ciclos reais, o comprimento da linha 3-4 é mais acentuado devido à necessidade da bomba
fornecer energia suficiente para vencer o atrito do escoamento. Além disso, quanto menor for a
ineficiência da turbina, maior será a inclinação da linha 1-2 (ou 1’-2’) no sentido anti-horário conforme
mostrado na imagem a seguir. 
Ciclo de Rankine com a presença de forças dissipativas 
Fonte: Moran et al. (2018, p. 366) 
Note no gráfico apresentado anteriormente, as forças dissipativas ocasionam aumento na entropia do
ciclo (deslocamento do ponto 2 e 4 para a direita). Dessa forma, a eficiência de um ciclo ideal pode ser
determinada pela equação já apresentada, utilizando as entalpias do processo isentrópico e a eficiência
do processo real utilizando as entalpias correspondentes ao ciclo 1-2-3-4-1.