Ciclos de Potência a Vapor - Termodinâmica Aplicada ( Máquinas Térmicas)

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Ciclos de Potência a Vapor 
Disciplina: Termodinâmica Aplicada
Curso: Engenharia Química
Professor: Rabigdonataro Rodrigues Costa
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo Rankine Ideal:
Ciclo Ideal das usinas de potência a vapor.
Não envolve nenhuma irreversibilidade interna.
Processos:
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclos de Potência a Vapor 
Diagrama T – s:
Ciclos de Potência a Vapor 
Balanço de Energia:
 - Bomba ( q = 0 ) 
 - Caldeira ( w = 0 ) - Condensador ( w = 0 )
 
 - Turbina ( q = 0 ) - Eficiência Térmica
Ciclos de Potência a Vapor 
Aumento da Eficiência do Ciclo de Rankine:
Redução da Pressão no Condensador: diminui a temperatura do vapor, e conseqüentemente, a temperatura na qual o calor é rejeitado.
 Problemas:
 1) Possibilidade de infiltração do ar ambiente para o interior do condensador, aumentando a umidade de vapor nos estágios finais da turbina.
 2) Alta umidade diminui a eficiência e provoca a erosão de suas pás.
Ciclos de Potência a Vapor 
Aumento da Eficiência do Ciclo de Rankine:
Superaquecendo o vapor a temperatura mais altas: aumenta a temperatura com o qual o calor adicionado aumenta e diminui o conteúdo de umidade de vapor na saída da turbina.
Ciclos de Potência a Vapor 
Aumento da Eficiência do Ciclo de Rankine:
Aumentando a pressão na caldeira: a pressão da caldeira aumenta e há um aumento também na temperatura de ebulição, o que, por sua vez, eleva a temperatura média com o qual o calor é transferido para o vapor e, assim, eleva a eficiência térmica do ciclo.
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Ideal com Reaquecimento:
Utilizado em usinas a vapor modernas.
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Ideal com Reaquecimento:
A incorporação de um único reaquecimento em uma usina moderna, aumenta a eficiência do ciclo de 4 a 5%, pelo aumento da temperatura média no qual calor é transferido para o vapor.
As temperaturas de reaquecimento são muito próximas ou iguais a temperatura de entrada da turbina.
A pressão ótima de aquecimento é cerca de ¼ da pressão máxima do ciclo.
Finalidade do ciclo é reduzir o conteúdo de umidade do vapor nos estágios finais do processo de expansão.
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Ideal com Reaquecimento:
Balanço de Energia:
 - Caldeira :
 
 - Total das Turbinas:
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Regenerativo Ideal:
Problema que originou a regeneração: calor é transferido para o fluido de trabalho a uma temperatura relativamente baixa, isso diminui a temperatura média do processo de fornecimento de calor a portanto a eficiência do ciclo.
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Regenerativo Ideal:
Solução: aumentar a temperatura do líquido que sai da bomba ( chamada de água de alimentação) antes que ele entra na caldeira. Uma possibilidade é transferir calor do vapor que está se expandindo na turbina para a água de alimentação que escoaria em contra corrente em um trocador de calor construído dentro da turbina, ou seja, efetuar uma regeneração. É difícil projetar tal trocador de calor e ele aumenta o conteúdo de umidade do vapor nos estágios da turbina.
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Regenerativo Ideal:
Processo Prático: extração do vapor da turbina em diversos pontos. 
Regenerador ou Aquecedor de água de alimentação (AAA): trocador de calor no qual o calor , é transferido do vapor para a água de alimentação, sendo aquecida por renegeração.
Ciclos de Potência a Vapor 
Ciclo de Rankine Regenerativo Ideal:
Características desejáveis ao processo:
 - Meio conveniente de desarear a água de alimentação (remove o ar que se infiltra no condensador ) para evitar a corrosão da caldeira.
 - Redução da vazão em volume nos últimos estágios da turbina devido aos altos volumes específicos a baixa pressões.
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Aquecedor de Água de Alimentação Aberto ou de Contato Direto:
Basicamente uma câmara de mistura, onde vapor extraído da turbina se mistura a água de alimentação que sai da bomba.
A mistura sai do aquecedor como líquido saturado à pressão do condensador.
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Aquecedor de Água de Alimentação Aberto ou de Contato Direto:
Ciclos de Potência a Vapor 
Aquecedor de Água de Alimentação Aberto ou de Contato Direto:
Ciclos de Potência a Vapor 
Aquecedor de Água de Alimentação Aberto ou de Contato Direto:
Balanço de Energia:
 - Bomba I: - Condensador:
 - Bomba II: - Turbina:
 - Caldeira: - Fração de Vapor Extraída:
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Aquecedor de Água de Alimentação Fechado:
Calor é transferido do vapor extraído da turbina para a água de alimentação sem que ocorra qualquer processo de mistura.
Em um aquecedor de água de alimentação fechado ideal, a água de alimentação é aquecida até a temperatura da saída do vapor extraído, que idealmente deixa o aquecedor como líquido saturado á pressão de extração.
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Aquecedor de Água de Alimentação Fechado:
Nas usinas de potências reais, a água de alimentação sai do aquecedor abaixo da temperatura de saída do vapor extraído, porque é necessário uma diferença de temperatura pelo menos alguns graus para que ocorra uma transferência de calor efetiva.
Vapor é condensado e então bombeado para a linha de água de alimentação ou direcionado para outro aquecedor ou ainda para o condensador por um dispositivo chamado Purgador. Um purgador permite que o líquido seja estrangulado para uma pressão mais baixa, mas impede o escoamento de vapor. Entalpia constante durante o estrangulamento.
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Aquecedor de Água de Alimentação Fechado:
Ciclos de Potência a Vapor 
Comparação entre os aquecedores de água de alimentação:
Abertos ou de Contato Direto:
 - Simples, baratos.
 - Ótimas características de transferência de calor.
 - Trazem água de alimentação até um estado de saturação.
Fechados:
 - São mais complexos → Tubulação Interna. 
 - Mais caros com transferência de calor menos efetiva.
 - Sem bomba separada para cada aquecedor, logo o vapor extraído da água de alimentação pode estar a pressão diferente.