Prévia do material em texto
Máquinas Térmicas Ciclos térmicos a vapor (exercício 2) Prof. José Antonio Perrella Balestieri Departamento de Química e Energia Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. Antes de iniciar a busca pela solução do problema, vamos relembrar alguns conceitos: → paridade térmica: um projeto de cogeração em paridade térmica tem de ser estruturado de tal modo que TODAS as necessidades térmicas sejam plenamente atendidas (diversamente da paridade elétrica ou mecânica, em que são as necessidades elétricas e mecânicas, respectivamente, que devem ser plenamente atendidas); → Em consequência de assumir-se uma forma de paridade, a outra forma de energia ou potência pode ser gerada em excesso (excedente) ou a menos (déficit): → em paridade térmica, se for gerada menos potência elétrica que a necessária (déficit), ela deve ser gerada por outro equipamento ou adquirida da rede; se sobrar potência elétrica (excedente) ela pode ser vendida para a rede (através do mercado de energia: http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2004109.pdf; http://www.ccee.org.br); → Em paridade elétrica, se faltar vapor (déficit) ele deve ser gerado por outro equipamento – raramente se encontra onde comprar vapor, à exceção , talvez, de um polo industrial; se houver excedente, dificilmente se conseguirá comercializa-lo devido às dificuldades de isolamento térmico e transporte do vapor. http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2004109.pdf http://www.ccee.org.br/ Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. Outra questão pertinente é que neste tipo de problema (real), além das necessidades elétricas e térmicas dos processos (de toda a instalação, isto é, da empresa e dos processos) e a definição do tipo de paridade, não são apresentados quaisquer valores de vazão, pressão, temperatura, potência... P2 P1 central de utilidades Empresa e seus processos produtos matérias primas ?? 8 MW ?? 10 kg/s 1,3 MPa/200 °C ?? 5 kg/s 0,5 MPa/180 °C ?? 12 kg/s 0,5 MPa/70 °C paridade térmica P3 Sim ou não? NÃO!! - Note que o condensador, se for utilizado, pertence ao ciclo térmico e não deve ser uma opção para a produção da água quente para P3! Escolhemos o ciclo a vapor como proposta de solução para a central de utilidades por ser ele o objeto de nosso estudo agora – na vida profissional você poderia avaliar todos os demais ‘princípios de solução´.. Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. Se você estivesse trabalhando em uma empresa de projetos de centrais térmicas, agora seria a hora de começar a utilizar um software comercial e assumir valores a partir do seu conhecimento tecnológico... Veja alguns softwares comerciais em : http://www.asimptote.nl/software/cycle-tempo/ https://www.thermoflow.com/products_overview.html Nota: nessas configurações, o processo P3 não está contemplado! http://www.asimptote.nl/software/cycle-tempo/ https://www.thermoflow.com/products_overview.html Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. Como você ainda é um estudante de graduação, a ‘especificação de informações’ será feita pelo seu professor... Então, admita que (como na hora de uma prova o professor é quem define tais valores, ei-los...): - água na saída da bomba a 38,5°C - vapor vivo a 10 MPa/475 °C - linha de condição entre vapor vivo e P2 - rendimento da caldeira de 85% - rendimento da bomba de 65% - rendimento gerador elétrico é 95% - PCI (óleo)= 40000 kJ/kg P1 P2 AM P3 (caso 1: TVCP) (caso 2: TVCD) P1 P2 AM P3 3 4 5 2 6 7 8 9 1 Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. Admita: - vapor vivo a 10 MPa/475 °C - rendimento da caldeira de 85% - linha de condição entre vapor vivo e P2 P1 P2 AM P3 (caso 1: TVCP) - rendimento da bomba de 65% - água na saída da bomba a 38,5°C - rendimento gerador elétrico é 95% - PCI (óleo)= 40000 kJ/kg VC no Aquecedor de Mistura (AM): 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚9 = ሶ𝑚6 + ሶ𝑚8 → ሶ𝑚9 =12= ሶ𝑚6 + ሶ𝑚8 𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑚9ℎ9 = ሶ𝑚6ℎ6 + ሶ𝑚8ℎ8 → 12.(70.4,18)= ሶ𝑚62812 + ሶ𝑚8(4,18.38,5) Então: ሶ𝑚6 =0,5960 kg/s (correspondente a 5% do total de água quente) ሶ𝑚8 = 11,4040 kg/s Nota: ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑙𝑖𝑞.𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟 (kJ/kg)≈ 4,18. 𝑇 °𝐶 = 4,18.70 = 292,6 𝑘𝐽/𝑘𝑔 Começamos a análise atribuindo números à configuração e aplicando VC sobre o equipamento mais próximo dos processos! Com o auxilio do programa CATT3: Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) = ሶ𝑚4 • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) ሶ= 𝑚7 • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW paratoda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. P1 P2 AM P3 (caso 1: TVCP) VC na turbina a vapor (TV): 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚3 = ሶ𝑚4 + ሶ𝑚5= ሶ𝑚4 + ሶ𝑚6 + ሶ𝑚7→ ሶ𝑚3 = 10 + 0,5960 + 5 = 15,60 𝑘𝑔/𝑠 . 3 4 5 2 6 7 8 9 1 Admita: - vapor vivo a 10 MPa/475 °C - rendimento da caldeira de 85% - linha de condição entre vapor vivo e P2 - rendimento da bomba de 65% - água na saída da bomba a 38,5°C - rendimento gerador elétrico é 95% - PCI (óleo)= 40000 kJ/kg H2O Ver no h-s! Nota: não estamos fazendo VC sobre o dessuperaquecedor considerando que o erro em desprezar a vazão de água do dessuperaquecedor é pequeno – se o fizéssemos, encontraríamos: VC no dessuperaquecedor: 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚𝑝1 = ሶ𝑚4 + ሶ𝑚𝑎 → ሶ𝑚𝑝1 =10= ሶ𝑚4 + ሶ𝑚a 𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑚𝑝1ℎ𝑝1 = ሶ𝑚4ℎ4 + ሶ𝑚𝑎ℎ𝑎 → 10.2810 = ሶ𝑚42930 + ሶ𝑚𝑎(4,18.38,5) Então: ሶ𝑚𝑎 = 0,43 kg/s (correspondente a 4,3% do total da vazão de P1) ሶ𝑚4 = 9,57 kg/s Observe que a variação é pequena – na vida real você DEVE considerar esse VC... Para as provas de MT, você está dispensado, a menos que lhe seja solicitado que o faça... Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. 2812 kJ/kg (CATT3) 6,966 kJ/kgK (CATT3) 3 5 42930 VC na turbina a vapor (TV): 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚3 = ሶ𝑚4 + ሶ𝑚5 = 15,60 𝑘𝑔/𝑠 𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑊𝑇 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4 − ሶ𝑚5ℎ5 = 15,60.3308 − 10.2930 − 5,6.2812 ሶ𝑊𝑇 = 6558 𝑘𝑊 Potência isentrópica no Mollier (valor correto para s=6,51 kJ/kgK) ሶ𝑊𝑇,𝑠 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4,𝑠 − ሶ𝑚5ℎ5,𝑠 = 15,60.3308 − 10.2770 − 5,6.2610 ሶ𝑊𝑇,𝑠 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4,𝑠 − ሶ𝑚5ℎ5,𝑠 = 15,60.3308 − 10.2794 − 5,6.2616 ሶ𝑊𝑇,𝑠= 9289 𝑘𝑊 (9015 kW) Rendimento isentrópico da TV: 𝜂𝑖𝑠𝑜 𝑇𝑉= ሶ𝑊𝑇 ሶ𝑊𝑇,𝑠 = 6558 9289 =0,7060 / 0,7274 (OK) 40 45 50 55 60 65 70 75 80 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 2770 2610 𝜂𝑖𝑠𝑜 𝑇𝑉 (%) ሶ𝑊𝑇𝑉(kW) P1 3 H2O 4 5 2 6 7 8 9 1 Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) = ሶ𝑚4 • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) ሶ= 𝑚7 • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. P1 P2 AM P3 (caso 1: TVCP) VC na caldeira: 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚3 = ሶ𝑚2 → ሶ𝑚3 =15,6 kg/s 𝐸𝐶𝐸: 𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 ሶ𝑚𝑐𝑃𝐶𝐼 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚2ℎ2→ 0,85. ሶ𝑚𝑐.40000=15,6 3308 − 4,18.38,5 ሶ𝑚𝑐 = 1,4443 kg/s Nota: assumindo caldeira convencional com 1 economizador, 1 evaporador e 1 superaquecedor: 𝑃2 = 𝑃3 0,953 = 10 0,953 = 11,66 𝑀𝑃𝑎 Então, com o valor correto: 0,85. ሶ𝑚𝑐.40000=15,6 3308 − 171,6 ሶ𝑚𝑐 = 1,4390 kg/s (erro anterior de 0,4%) Admita: - vapor vivo a 10 MPa/475 °C - rendimento da caldeira de 85% - linha de condição entre vapor vivo e P2 - rendimento da bomba de 65% - água na saída da bomba a 38,5°C - rendimento gerador elétrico é 95% - PCI (óleo)= 40000 kJ/kg Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) = ሶ𝑚4 • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2)= ሶ𝑚7 • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. P1 P2 AM P3 (caso 1: TVCP) Excedente ou déficit elétrico: - Potência de eixo (mecânica) da bomba: ሶ𝑊𝑏,𝑟 = ሶ(𝑚2 + ሶ𝑚8)(ℎ2 − ℎ1)=(15,6+11,4) (171,6-159,3)=332 kW - Potência elétrica líquida da turbina a vapor (sem barramento elétrico): 𝜂𝑔𝑒𝑟 𝑒𝑙𝑒= ሶ𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑒𝑙𝑒 ሶ𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑚𝑒𝑐 = ሶ𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑒𝑙𝑒 6558−332 = 0,95→ ሶ𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑒𝑙𝑒 = 5915 kW - Potência elétrica demandada: 8000 kW Então, 8000 – 5915 = 2085 kW (déficit elétrico) 3 H2O 4 5 2 6 7 8 9 1 Admita: - vapor vivo a 10 MPa/475 °C - rendimento da caldeira de 85% - linha de condição entre vapor vivo e P2 - rendimento da bomba de 65% - água na saída da bomba a 38,5°C - rendimento gerador elétrico é 95% - PCI (óleo)= 40000 kJ/kg Exercício de ciclos térmicos de potência a vapor Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. (caso 2: TVCD) P1 P2 AM P3 Uma empresa apresenta as seguintes necessidades para uso em processo: • 10 kg/s de vapor a 1,3 MPa/200° C para o processo 1 (P1) • 5 kg/s de vapor a 0,5 MPa/180°C para o processo 2 (P2) • 12 kg/s de água quente a 0,5 MPa/70° C para o processo 3 (P3). A empresa necessita também garantir a disponibilidade de uma potência elétrica instalada de 8000 kW para toda a instalação industrial. Proponha o pré-projeto e realize as análises técnicas pertinentes de um ciclo de potência a vapor (de cogeração) em paridade térmica. VC no Aquecedor de Mistura (AM) não é alterado: 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚9 = ሶ𝑚6 + ሶ𝑚8 → ሶ𝑚9 =12= ሶ𝑚6 + ሶ𝑚8 𝐸𝐶𝐸: ሶ𝑚9ℎ9 = ሶ𝑚6ℎ6 + ሶ𝑚8ℎ8 → 12.(70.4,18)= ሶ𝑚62812 + ሶ𝑚8(4,18.38,5) Então: ሶ𝑚6 =0,5960 kg/s (correspondente a 5% do total de água quente) ሶ𝑚8 = 11,4040 kg/s Para a nova turbina a vapor, agora de condensação e extrações, deve-se iniciar pelo estabelecimento da nova linha de condição operacional, assumindo a mesma condição anterior (acima). Neste caso, projetaremos linha de condição até a região de saturação, e ela deve ser limitada ao serem alcançados quaisquer dos limites tecnológicos: - Temperatura de condensação entre 40°C e 60°C - Título maior que 90% 3 H2O 4 5 10 2 6 7 8 9 11 1 Admita: - vapor vivo a 10 MPa/475 °C - rendimento da caldeira de 85% - linha de condição entre vapor vivo e P2 - rendimento da bomba de 65% - água na saída da bomba a 38,5°C - rendimento gerador elétrico é 95% - PCI (óleo)= 40000 kJ/kg Relembrando... comentários sobre a vazão de condensação Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. Outra questão importante é definir qual será a vazão a ser considerada no condensador (caso não tenha sido informada na ‘classificação das informações): Nas configurações puramente termelétricas, o objetivo é produzir eletricidade para comercialização. Desse modo, • a maior parte do vapor vivo deve ser destinada ao condensador para aumentar a diferença entálpica entre entrada e saída da turbina – assuma que não menos de 75% do vapor vivo deva ser direcionado ao condensador; • As vazões de vapor referentes às extrações se destinam a pré- aquecedores da água a ser enviada ao economizador da caldeira, aumentando o rendimento térmico do ciclo a vapor. Nas configurações termelétricas de cogeração, o objetivo é produzir potência elétrica/mecânica e alguma forma térmica (vapor, água/ar quente ou resfriado), na forma de uma central de utilidades, para serem destinados ao atendimento de processos fabris. Desse modo, a vazão destinada ao condensador varia caso a caso. → Uma regra de cogeração interessante seria gerar 90% da demanda elétrica da empresa (em déficit elétrico) ou mais de 110% da mesma (excedente elétrico) de modo a fugir da autossuficiência (gerar 100% da demanda elétrica) e manter um vínculoinstitucional com uma empresa de energia. Veja também: https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/SteamPlant/GavinCaseStudy.html, 09.Maio.2019 Veja também: https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/steamplant/steamCoGen.html, 09.Maio.2019 https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/SteamPlant/GavinCaseStudy.html https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Intro/Chapt.1_6/steamplant/steamCoGen.html Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. 2340 kJ/kg 6,966 kJ/kgK (CATT3) 3 5 42930 A linha de condição foi projetada até atingir 90% de título e uma temperatura próxima de 50°C. Por ser um ciclo de cogeração, iremos assumir nosso interesse em gerar 90% da demanda elétrica da empresa (em déficit elétrico de 800 kW) com geradores elétricos de 95% de rendimento, assumindo barramento elétrico e que a potência das bombas deve ser descontada da demanda da empresa: ECE no barramento: ሶWTV,ele + 800 = 8000 − ( 332 0,95 )→ ሶWTV,ele=6850 kW ηger ele= ሶWliq,ele ሶWliq,mec → ሶWTV,mec = 6850 0,95 = 𝟕𝟐𝟏𝟏 kW 𝐸𝐶𝑀 𝑛𝑎 𝑇𝑉: ሶ𝑚3 = ሶ𝑚4 + ሶ𝑚5 + ሶ𝑚10→ ሶ𝑚3 = 15,60 + ሶ𝑚10 ሶ𝑊𝑇𝑉,𝑚𝑒𝑐 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚4ℎ4 − ሶ𝑚5ℎ5 − ሶ𝑚10ℎ10 7𝟐𝟏𝟏 = (15,60 + ሶ𝑚10). 3308 − 10.2930 − 5,6.2812- ሶ𝑚10.2340 ሶm10=0,6750 kg/s para gerar 6850 kW (ele) ሶm3 = 16,2750 kg/s 3 10 2050 kJ/kg 2770 2610 barramento elétrico da empresa compra da rede 800 kW necessidade da empresa (8000- 332 0,95 )= 7650 kW ሶ𝑊𝑇𝑉,𝑒𝑙𝑒 = 6850 kW ሶ𝑊𝑇𝑉,𝑚𝑒𝑐 = 7211 kW P1 Prof. José Antonio Perrella BalestieriOs direitos de uso deste material são reservados ao seu autor. 40 45 50 55 60 65 70 75 80 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 𝜂𝑖𝑠𝑜 𝑇𝑉 (%) ሶ𝑊𝑇𝑉(kW) VC na turbina a vapor (TV): ECE: ሶWT = 6850 kW ele =7211 kW (mec) Potência isentrópica no Mollier ሶWT,s = ሶm3h3 − ሶm4h4,s − ሶm5h5,s − ሶm10h10,s ሶWT,s = 16,275.3308 − 10.2770 − 5,6.2610 − 0,675.2050 = ሶWT,s= 10138 kW Rendimento isentrópico da TV: ηiso TV= ሶWT ሶWT,s = 7211 10138 =0,7113 (OK) VC na caldeira: 𝐸𝐶𝑀: ሶ𝑚3 = ሶ𝑚2 → ሶ𝑚3 =16, 2750 kg/s 𝐸𝐶𝐸: 𝜂𝑐𝑎𝑙𝑑 ሶ𝑚𝑐𝑃𝐶𝐼 = ሶ𝑚3ℎ3 − ሶ𝑚2ℎ2→ 0,85. ሶ𝑚𝑐.40000=16,275 3308 − 4,18.38,5 ሶ𝑚𝑐 = 1,5064 kg/s Nota: assumindo caldeira convencional com 1 economizador, 1 evaporador e 1 superaquecedor: 𝑃2 = 𝑃3 0,953 = 10 0,953 = 11,66 𝑀𝑃𝑎 Então, com o valor correto: 0,85. ሶ𝑚𝑐.40000=16,275 3308 − 171,6 ሶ𝑚𝑐 = 1,5013 kg/s (erro anterior de 0,03%)