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ENERGIA TÉRMICA SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR Uma meta importante em Engenharia Mecânica é conceber sistemas que efetuem tipos de conversão de energia desejados. Ciclo de Carnot O ciclo de Carnot é um ciclo de potência ideal que não consegue ser reproduzido na prática devido a problemas que causa nos equipamentos industriais. No ciclo de Carnot o ponto 3 (entrada da bomba) contém uma mistura líquido-vapor. Passagens 1�2: turbina 2�3: condensador 3�4: bomba 4�1: caldeira Ciclo de Rankine O ciclo de Rankine é uma modificação do ciclo de Carnot com a modificação de o ponto 3 estar no estado de líquido saturado. Ponto 3: deslocado para a linha de líquido saturado Ponto 4: estado da água que entra na caldeira Análise de Sistemas de Potência a Vapor (Ciclo de Rankine) Análise de Sistemas de Potência a Vapor (Ciclo de Rankine) Turbina O vapor proveniente da Caldeira (1) possui valores de T e P elevados, porém se expande através da turbina para produzir trabalho e então é descarregado no condensador (2) com uma pressão relativamente mais baixa. Análise de Sistemas de Potência a Vapor (Ciclo de Rankine) Turbina Desprezando as TC para as vizinhanças, os balanços das taxas de massa e energia para um VC será Aplicando balanço de massa e energia: Análise de Sistemas de Potência a Vapor (Ciclo de Rankine) Condensador Ocorre a TC do vapor para a água de arrefecimento escoando em uma corrente separada. Análise de Sistemas de Potência a Vapor (Ciclo de Rankine) Bomba O líquido condensado que deixa o condensador em 3 é bombeado do condensador para o interior da caldeira a uma pressão mais elevada. Análise de Sistemas de Potência a Vapor (Ciclo de Rankine) Caldeira Tomando um volume de controle envolvendo dutos e os tubulões da caldeira eu transportam água de alimentação do estado 4 para o estado 1, os balanços das taxas de massa e energia fornecem: Parâmetros de desempenho Eficiência Térmica A eficiência térmica mede o percentual através do qual a energia fornecida ao fluido de trabalho passando através da caldeira é convertida em trabalho líquido disponível. Parâmetros de desempenho Eficiência Térmica O trabalho líquido de saída é igual ao calor líquido de entrada. Parâmetros de desempenho Taxa de aquecimento A taxa de calor é a quantidade de energia adicionada ao ciclo por TC, usualmente em BTU, para produzir uma quantidade de trabalho líquido de saída, usualmente em kW.h. Dessa forma, a taxa de calor que é inversamente proporcional à eficiência térmica Parâmetros de desempenho Razão de trabalho reversa Parâmetro utilizado para descrever o desempenho de instalações de potência É definido como a razão entre o trabalho entregue à bomba e o trabalho desenvolvido pela turbina. Ciclo de Rankine Ideal Na ausência de irreversibilidades e troca de calor com as vizinhanças os processos através da turbina e da bomba seriam isentrópicos Processo 1-2: Expansão isentrópica do fluido através da turbina do estado 1 de vapor saturado até a pressão do condensador Ciclo de Rankine Ideal Na ausência de irreversibilidades e troca de calor com as vizinhanças os processos através da turbina e da bomba seriam isentrópicos Processo 2-3: TC do fluido de trabalho a medida que ele escoa a pressão constante através do condensador com líquido saturado no estado 3 Ciclo de Rankine Ideal Na ausência de irreversibilidades e troca de calor com as vizinhanças os processos através da turbina e da bomba seriam isentrópicos Processo 3-4: Compressão isentrópica na bomba até o estado 4 na região de líquido comprimido Ciclo de Rankine Ideal Na ausência de irreversibilidades e troca de calor com as vizinhanças os processos através da turbina e da bomba seriam isentrópicos Processo 4-1: Transferência de calor para o fluido de trabalho a medida que ele escoa a pressão constante através da caldeira para completar o ciclo Ciclo de Rankine Ideal O ciclo de Rankine ideal inclui a possibilidade de superaquecimento do vapor, como no ciclo 1’-2’-3-4-1’ ciclo de Rankine ideal: consiste em processos internamente reversíveis Ciclo de Rankine Ideal O calor transferido por unidade de massa circulante em sistemas de potência a vapor é dado por área 1-b-c-4-a-1 representa a TC do fluido de trabalho escoando através da caldeira Ciclo de Rankine Ideal O calor transferido por unidade de massa circulante em sistemas de potência a vapor é dado por área 2-b-c-3-2 Representa a TC do fluido de trabalho escoando através do condensador Ciclo de Rankine Ideal O calor transferido por unidade de massa circulante em sistemas de potência a vapor é dado por área 1-2-3-4-a-1 entrada de calor líquido Ou trabalho líquido de saída Ciclo de Rankine Ideal A bomba é idealizada operando sem irreversibilidades: volume específico do líquido varia muito pouco à medida que o líquido escoa da entrada até a saída da bomba Ciclo de Rankine Ideal A bomba é idealizada operando sem irreversibilidades: ENTÃO: Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine dois ciclos ideais: Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine TCALDEIRA no ciclo 1’-2’-3’-4’-1’ MAIOR que a do ciclo 1-2-3-4-1 Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine Pcaldeira tende eficiência térmica Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine dois ciclos ideais: mesma pressão na caldeira pressões diferentes no condensador Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine T rejeição da calor ciclo 1-2-3-4-1 condensação à Patm T rejeição do calor ciclo 1-2’’-3’’-4’’-1 ocorre a uma P mais baixa Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine esse ciclo tem maior eficiência térmica Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine Condensador: o lado do vapor de água opere a uma P< Patm turbina passa a ter uma região de pressão resultando: Wlíq eficiência térmica Ciclo de Rankine Ideal Efeitos das Pressões na Caldeira e no Condensador sobre o Ciclo de Rankine A inclusão do condensador também permite que o fluido de trabalho opere em um circuito fechado Esse arranjo permite a circulação contínua do fluido de trabalho, viabilizando o uso de água pura, que é menos corrosiva que a água de torneira Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais As irreversibilidades e perdas estão associadas a cada subsistema. Alguns desses efeitos têm influência maior no desempenho do que outros. Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Turbina A principal irreversibilidade sofrida pelo fluido de trabalho está associada à expansão através da turbina Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Turbina O calor transferido pela turbina às vizinhanças representa uma perda, mas como ele tem importância secundária, essa perda é ignorada Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Turbina eficiência isentrópica trabalho real desenvolvido por unidadeCiclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Turbina eficiência isentrópica trabalho ideal desenvolvido por unidade Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Turbina irreversibilidades na turbina significativamente a Wliqdisponível na saída da instalação Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas O trabalho necessário à bomba para vencer os efeitos do atrito também Wlíq Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas Supondo que não ocorra perda de calor para a vizinhança, haveria um aumento de entropia Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas processo 3-4 : processo real processo 3-4s: processo isentrópico (ideal) Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas eficiência isentrópica Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas eficiência isentrópica trabalho necessário Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas eficiência isentrópica trabalho ideal Ciclo de Rankine Ideal Irreversibilidades e perdas principais Bombas WB < < WT as irreversibilidades têm um impacto muito menor no trabalho líquido do ciclo do que as irreversibilidades na turbina Exemplo 1 Calcular o rendimento do ciclo de Rankine conhecendo-se a pressão da caldeira, P1=50 Kgf/cm 2, e a do condensador, P2=0,5 Kgf/cm 2. Sabe-se que o vapor entra saturado na turbina e que a água que sai do condensador está saturada. Ponto 1 P1=50 Kgf/cm2 h1=2794,22 kJ/Kg s1=5,9733 kJ/Kg.K Ponto 2 P2=0,5 Kgf/cm2 s2=s1=5,9733 kJ/Kg.K s2=sL+x(sv-sL) com isso determinamos o x h2=hL+x(hv-hL) s2=s1=5,9733 kJ/Kg.K Da Tabela: sv=7,5939kJ/Kg.K sL=1,09106 kJ/Kg.K hL=340,47kJ/Kg hV= 2645,87kJ/Kg Agora calcularemos x2 Agora calcularemos a h2 Ponto 3 P3=0,5 Kgf/cm2 Ponto 4 Exemplo 2 As usinas termelétricas geram eletricidade a partir de turbinas movidas a vapor. O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico ideal que pode ser utilizado para modelar, de forma simplificada, uma usina termelétrica. A figura abaixo mostra de forma esquemática os elementos básicos de um ciclo de Rankine simples ideal. Considerando que algumas usinas termelétricas que utilizam turbinas a vapor podem ser encontradas próximas a grandes reservatórios de água, como rios e lagos, analise as seguintes afirmações. I. O ciclo de Rankine simples mostrado na figura não prevê a reutilização da energia que é rejeitada no condensador e, por isso, tem um rendimento comparável ao de um ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas ambiente. II. Historicamente, a instalação de algumas usinas próximas a grandes rios se dá devido à necessidade de remover calor do ciclo, por intermédio da transferência de calor que ocorre no condensador, porém com implicações ao meio ambiente. III. Em usinas que utilizam combustíveis fósseis, o vapor gerado na caldeira é contaminado pelos gases da combustão e não é reaproveitado no ciclo, sendo mais econômico rejeitá-lo, causando impacto ambiental. IV. Entre as termelétricas, as usinas nucleares são as únicas que não causam impacto ambiental, exceto pela necessidade de se armazenar o lixo nuclear gerado. É correto apenas o que se afirma em (a) I (b) II (c) I e III (d) II e IV (e) II, III e IV Exercícios Uma usina de força a vapor é proposta para operar entre as pressões de 10 kPa e 2 MPa com uma temperatura máxima de 400°C. Determine a eficiência máxima do ciclo. 1) Montar o gráfico do processo 2) Extrair os dados a partir das Tabelas Termodinâmicas 3) Desenvolver os cálculos necessários para chegar a solução do problema 3247,60 7,1270
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