OCICLODECARNOTAVAPOR-a572342

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O CICLO DE CARNOT A VAPOR
O CICLO DE CARNOT A VAPOR
Diagrama T-s de dois ciclos Carnot
O ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente que funciona entre dois limites de temperatura
especificada, mas não é um modelo adequado para ciclos de potência.
Processo 1-2 Limitando os processos de transferência de calor para sistemas de duas fases, limita
severamente a temperatura máxima que pode ser utilizada no ciclo de (374°C para agua);
Processo 2-3 O turbina não pode lidar com vapor com um elevado teor de humidade devido ao
choque de gotículas de líquido que as pás da turbina sofrem, causando a erosão e desgaste.
Process 4-1 Não é prático um compressor que lida com duas fases(vapor + líquido)
O ciclo em (b) não é adequado uma vez que requer a compressão isentrópica a pressões
extremamente altas e de transferência de calor isotérmica a pressões variáveis.
1-2 Adição de calor 
isotérmica na caldeira
2-3 Expansão 
isentrópica na turbina
3-4 Rejeição de calor 
isotérmica no 
condensador
4-1 Compressão 
isentrópica no 
compressor
CICLO RANKINE: O CICLO IDEAL PARA CICLOS DE 
POTÊNCIA A VAPOR
Muitas das dificuldades práticas associadas com o ciclo de Carnot pode ser eliminado
por superaquecimento do vapor na caldeira e condensando-o completamente no
condensador. O ciclo que resulta é o ciclo de Rankine, que é o ciclo ideal para centrais
de energia de vapor. O ciclo Rankine ideal não envolve quaisquer irreversibilidades
internas.
Ciclo Rankine simples
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Analise energética do ciclo Rankine ideal
A eficiência térmica pode ser
interpretada como a razão entre a
área delimitada pelo ciclo em um
diagrama TS pela área sob o
processo de adição de calor.
Equação da energia em regime permanente
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DESVIOS DOS CICLOS DE POTÊNCIA A VAPOR REAL 
DO CICLO IDEAL
(a) Desvios dos ciclos de potência real comparado ao ideal
(b) Efeito das irreversibilidades na bomba e turbina em um ciclo real
Os ciclos reais diferem dos ciclos ideia como resultado das irreversibilidades em seus 
vários componentes. 
Atrito fluido and perda de calor estão entre as fontes comuns de irreversibilidades.
Eficiência isentrópica
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COMO MELHORAR O DESEMPENHO DO CICLO RANKINE?
O efeito da diminuição da pressão do condensador 
sobre o ciclo de Rankine ideal
A idéia básica por trás de todas as modificações para aumentar a eficiência térmica de 
um ciclo de potência é o mesmo: Aumentar a temperatura média em que o calor é 
transferido para o fluido de trabalho na caldeira, ou diminuir a temperatura média em 
que o calor é rejeitado a partir do fluido de trabalho no condensador.
Redução da pressão no condensador
Para tirar proveito de ganhos na eficiência a
baixas pressões, os condensadores de usinas a
vapor geralmente operam bem abaixo da pressão
atmosférica. Não há um limite inferior para esta
pressão dependendo da temperatura do meio de
arrefecimento
Efeitos ruins: A redução da pressão do
condensador aumenta o teor de humidade do
vapor, nas fases finais da turbina
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O efeito de superaquecimento 
o vapor a temperaturas mais 
elevadas no ciclo de Rankine 
ideal.
Superaquecimento de vapor a altas temperaturas
Tanto o trabalho como o calor aumentam
como resultado do superaquecimento do
vapor a uma temperatura mais elevada. O
efeito global é um aumento da eficiência
térmica, uma vez que a temperatura média
em que o calor é adicionado aumenta.
Superaquecimento a temperaturas mais
elevadas diminui o teor de humidade do
vapor na saída da turbina, o que é
desejável.
A temperatura é limitada por
considerações metalúrgicas. Atualmente, a
mais alta temperatura do vapor permitida
na entrada da turbina é de cerca de
620°C.
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Aumento da pressão na caldeira
O efeito de aumentar a pressão da 
caldeira no ciclo de Rankine ideal.
Para uma temperatura de entrada da turbina
fixa, as mudanças no ciclo para a esquerda e
o teor de umidade do vapor nas turbinas da
saída aumenta. Este efeito secundário pode
ser corrigido por reaquecimento do vapor.
Hoje, muitas usinas a vapor
modernas operar a pressões
supercrítico (P> 22,06 MPa) e têm
eficiência térmica de
aproximadamente 40% para usinas
de combustível fóssil e 34% para
as centrais nucleares.
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CICLO RANKINE IDEAL COM REAQUECIMENTO
Como podemos aumentar as eficiências elevando a pressãode na caldeira mais sem 
enfrentar o problema de umidade excessiva nas fases finais da turbina?
1. Superaquecer o vapor a temperaturas mais altas. Ele é limitado metalurgicamente.
2. Expandir o vapor na turbina em duas etapas, e reaquecê-lo(reaquecimento)
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A temperatura média em que o
calor é transferido durante o
reaquecimento aumenta à medida
que o número de fases é
aumentado de reaquecimento
Um simples reaquecimento em uma planta d 
epotência moderna melhora a eficiência do 
ciclo de 4 a 5%.
A temperatura média durante o processo de
reaquecimento pode ser aumentada através
do aumento do número de fases de expansão
e de reaquecimento. À medida que o número
de fases é aumentado, os processos de
expansão e de reaquecimento se aproximam
de um processo isotérmico, à temperatura
máxima. A utilização de mais do que duas
fases de reaquecimento não é prático. A
melhoria de eficiência teórica a partir do
segundo reaquecimento é cerca de metade
daquilo que resulta de uma única
reaquecimento.
As temperaturas de reaquecimento são muito
próximo ou igual à temperatura de admissão
da turbina
A pressão reaquecimento ideal é cerca de um
quarto da pressão máxima de ciclo.
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O CICLO IDEAL RANKINE REGENERATIVO
O calor é transferido para o fluido de trabalho
durante o processo de 2-2 a uma temperatura
relativamente baixa. Isso diminui a temperatura
média de adição de calor e, portanto, a eficiência
do ciclo.
Em centrais elétricas a vapor, o vapor é extraído a
partir da turbina em vários pontos. Este vapor, que
poderia ter produzido mais trabalho, expandindo
adicionalmente na turbina, é usado para aquecer a
água de alimentação. O dispositivo de purificação
de água em que é aquecida é chamado de
regenerador, um aquecedor de água de
alimentação
Um aquecedor de água de alimentação é
basicamente um permutador de calor onde o calor
é transferido do vapor de água de alimentação,
quer por mistura das duas correntes de fluido
(aquecedores de água de alimentação ou aberta),
sem os misturar aquecedores de água de
alimentação (fechado).
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Aquecedor de água de alimentação aberto
Aquecedor de água de alimentação uma 
abertura (contato direto) é basicamente uma 
câmara de mistura, onde o vapor extraído da 
turbina se mistura com água de alimentação 
da saída da bomba. Idealmente, a mistura sai 
do aquecedor como um líquido saturado à 
pressão aquecedor.
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O ciclo Rankine ideal com um aquecedor de 
água de alimentação fechado.
Outro tipo de aquecedor de água de alimentação freqüentemente usado em usinas de
energia a vapor é o aquecedor de água de alimentação fechado, no qual o calor é
transferido do vapor extraído para a água de alimentação, sem qualquer mistura. As
duas correntes agora podem estar em diferentes pressões, desde que não se misturam
Aquecedor de água de alimentação fechado
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Os aquecedores de água de alimentação fechados são mais complexo devido a rede de tubos
internos, e também são mais caros. A transferência de calor nos aquecedores de água de
alimentação fechados é menos eficaz uma vez que os dois fluxos não estão em contato direto.
Entretanto aquecedores de água de alimentação fechados não necessitam de uma bomba para
cada aquecedor de vapor extraído, uma vez que a água de alimentação pode estar a diferentes
pressões.
Aquecedores de água de
alimentação abertos são
simples e baratos e têm boas
características de
transferência de calor. Para
cada aquecedor, no entanto,
uma bomba é necessário para
lidar com a água de
alimentação.
A maioria das usinas a vapor
usam uma combinação de
aquecedores de água de
alimentação aberto e fechado.
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COGENERAÇÃOMuitas indústrias exigem entrada de energia na forma de calor, chamado de calor de
processo. Calor de processo nestas indústrias é geralmente fornecido por meio de
vapor de 5 a 7 atm e 150 a 200 ° C. A energia é normalmente transferida para o vapor
pela queima de carvão, petróleo, gás natural ou outro combustível em um forno.
Indústrias que utilizam grandes
quantidades de calor de processo
também consumem uma grande
quantidade de energia elétrica.
Faz sentido usar o potencial de trabalho
já existente para produzir energia em
vez de deixá-lo ir para o lixo
O resultado é uma planta que produz
eletricidade e atende as exigências de
processo térmico de certos processos
industriais (cogeração)
Cogeneração: A produção de mais do que uma forma útil de energia 
(tais como o processo de calor e energia elétrica) a partir da mesma 
fonte de energia..
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Planta de cogeração ideal
Fator de utilização
• O fator de utilização ideal 
de uma planta com 
cogeração de 100%.
• Atualmente plantas de 
cogeração tem fator de 
utilização tão alto quando 
80%. 
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Em tempos de alta demanda de calor de
processo, todo o vapor é encaminhado para as
unidades de processo de aquecimento e
nenhum para o condensador (M7 = 0). O calor
residual é zero neste modo.
Se isto não for suficiente, o vapor que sai da
caldeira é estrangulado por uma expansão ou
uma válvula redutora de pressão para a
pressão de extração P6 e é dirigido para a
unidade de processo de aquecimento.
O máximo aquecimento do processor é
realizado quando todo o vapor que sai da
caldeira passa através do PRV (m5 = M4). Sem
energia é produzida nesse modo.
Quando não há demanda de calor de processo,
todo o vapor passa através da turbina eo
condensador (m5=m6 = 0), e a central de
cogeração funciona como uma usina de vapor
comum.
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CICLOS COMBINADOS DE POTÊNCIA A VAPOR E 
GÁS
• A busca contínua de eficiência térmica mais elevadas resultou em modificações bastante 
inovadoras para centrais eléctricas convencionais.
• Uma modificação popular envolve um ciclo de potência a gás no topo de um ciclo de potência a 
vapor, que é chamado o ciclo de gás-vapor combinado, ou apenas o ciclo combinado;
• O ciclo combinado de maior interesse é o ciclo de turbina a gás (Brayton) no topo de um ciclo 
de turbina a vapor (Rankine), que tem uma eficiência térmica mais elevada do que qualquer 
um dos ciclos executados individualmente.
• Faz sentido na engenharia tirar vantagem das características do ciclo de turbina a gás e usar 
os gases de escape a alta temperatura como a fonte de energia para o ciclo de tal como um 
ciclo de energia de vapor. O resultado é um ciclo de vapor e gás combinados;
• Desenvolvimentos recentes na tecnologia de turbina a gás tornaram o ciclo de vapor e gás 
combinados economicamente muito atraente.
• O ciclo combinado, aumenta a eficiência, sem aumentar grandemente o custo inicial. 
Consequentemente, muitas novas usinas operam em ciclos combinados, e muitas plantas de 
vapor ou de turbina a gás existentes estão sendo convertidas para usinas de energia de ciclo 
combinado.
• Eficiencias térmicas maiores que 50% são registradas.
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Ciclo de potência vapor – gás combinados
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