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Máquinas Térmicas Prof. Carlos Gurgel Dep. Engenharia Mecânica – FT Universidade de Brasília Capítulo VIII – Ciclos Vapor (Eastop & McConkey, 1993) O ciclo vapor foi apresentado anteriormente, na forma proposta por Carnot, onde definiu-se a eficiência térmica máxima possível entre dois níveis de temperatura. A Figura VIII-1 ilustra o ciclo de Carnot num diagrama T – s. T s 4 A B 1 2 3 T1 T2 CARNOT Figura VIII-1: Ciclo de Carnot num diagrama T – s. Os processos seguem: • 4 → 1 adição de calor a p e T constantes, ocorre numa caldeira; • 1 → 2 expansão isentrópica, ocorre numa turbina; • 2 → 3 rejeição de calor para a vizinhança, ocorre num condensador; • 3 → 4 compressão isentrópica, ocorre numa bomba especial (vapor + líquido). A dificuldade prática de se comprimir um mistura de líquido e vapor, conduz à uma modificação importante no ciclo proposto por Carnot. Este ciclo é conhecido como Rankine. 125 Ciclo Rankine Difere do Ciclo de Carnot por considerações práticas. É muito mais fácil de se bombear líquido puro em comparação com uma mistura líquido + vapor. A bomba de líquido possui dimensões inferiores e é mais eficiente, além do que, os equipamentos, como um todo, são mais simples. A Figura VIII-2 ilustra o ciclo Rankine. 3 4 T s 5 A B 1 2 T1 T2 Figura VIII-1: Ciclo Rankine num diagrama T – s. Após a compressão isentrópica, ponto 4, o fluido não está na condição de saturação como ocorre no ciclo de Carnot. Algum calor extra deve ser providenciado para se atingir o ponto 5, líquido saturado. De 4 → 5 o processo ocorre a pressão constante mas a medida em que calor é adicionado, a temperatura aumenta (calor sensível) até a temperatura de saturação desejada. Uma planta típica para a realização do ciclo Rankine pode ser vista na Fig. VII-3. Na análise dos processos podemos utilizar os conceitos já desenvolvidos. Como os equipamentos trabalham com fluxo de massa, utilizamos a primeira lei para volume de controle em todos os equipamentos. Portanto, da primeira lei para sistemas abertos, inou hhWQ −=+ Na equação acima, mudanças de energia cinética e potencial foram desprezadas. Na entrada de turbina o vapor pode estar úmido, saturado seco ou superaquecido. Vamos analisar o caso de vapor saturado seco. 126 5 4 3 2 1 1 Condensador Gases de combustão Bomba Combustível Ar Ar Combustível W34 -Q23 Água de resfriamento Turbina -W12 Caldeira Q451 Figura VIII-3: Planta Básica. Caldeira: 41451451 hhWQ −=+ . Como o trabalho é nulo, 41451 hhQ −= Turbina: A expansão é adiabática reversível. Portanto 1212 hhW −= Condensador: 232323 hhWQ −=+ . Como o trabalho é nulo, 2323 hhQ −= . Bomba: A compressão é adiabática reversível, portanto 3434 hhW −= 127 Usualmente despreza-se este trabalho por ser uma parcela muito pequena em comparação com o trabalho desenvolvido na turbina. Isto acontece porque o volume específico da água é pequeno se comparado com o dos gases. Trabalho líquido no ciclo )()( 34123412 hhhhWWW O −+−=+=∑ Se o trabalho de bombeamento for desprezado, 12 hhW O −=∑ Calor é adicionado ao ciclo na caldeira, logo 41451 hhQ −= Portanto, a eficiência térmica do ciclo Rankine é dada por 451 3412 Q WW R +=η . Substituindo-se pelas expressões já calculadas, 41 3412 )()( hh hhhh R − −+−=η . Observação: a utilização do módulo na expressão acima visa a simplificar o processo de memorização da fórmula. Pela convenção estabelecida o trabalho líquido surgirá automaticamente após o somatório das diferenças de entalpia. Contudo, ficou convencionado que o trabalho líquido, isto é, aquele que o sistema realiza na vizinhança (trabalho útil), possui sinal negativo o que justifica a inclusão do módulo na expressão. A expressão acima pode ser simplificada se o trabalho de bombeamento for desprezado, na seguinte forma, )()( )()()()( 3431 3412 41 3412 hhhh hhhh hh hhhh R −−− −+−=− −+−=η . Desprezando-se , tem-se )( 34 hh − 128 )( )( 31 12 hh hh R − −=η . Nos casos em que o trabalho de bombeamento deve ser considerado, o cálculo da variação de entalpia numa compressão isentrópica é dada por )( 3434 ppvhh −=− Prova: Processo adiabática reversível 0=−= vdpdhdQ . Portanto, . vdpdh = Integrando-se entre os pontos 3 e 4, assumindo-se que o volume específico do líquido é constante entre estes estados (incompressibilidade da água). )( 34 4 3 34 ppvvdphh −==− ∫ . O valor de v pode ser obtido da linha de líquido saturado em p3. Eficiências no ciclo Rankine Razão de eficiência é a razão entre a eficiência do ciclo real pela eficiência térmica do ciclo Rankine. 2 4s 2s 3 4 T s 5 1 T1 T2 Figura VIII-4: Ciclo Rankine num diagrama T – s. 129 Na prática, tanto a compressão da água na bomba como a expansão na turbina são irreversíveis. A Figura VIII-4 ilustra tais irreversibilidades. Pode-se, então, definir e eficiência isentrópica para um dado processo. Na expansão, isentróp. trabalho real trabalho expη shh hh 21 21 exp − −=η Na compressão, real trabalho isentróp. trabalho compη 34 34 hh hh s comp − −=η Taxa de trabalho (WR) Por definição, a taxa de trabalho é a razão entre o trabalho líquido e o trabalho no processo de expansão. Isto é, 12 3412WR W WW += Outro critério muito utilizado em plantas de vapor é o consumo específico de vapor (ssc). Este parâmetro é dado pelo fluxo de vapor da planta por unidade de trabalho produzido. O fluxo de vapor da planta serve como indicação do tamanho da planta e dos equipamentos envolvidos. Consequentemente, o valor de ssc é um parâmetro de comparação entre o tamanho relativo entre plantas de vapor em função da potência produzida. Potência liberada é dada por ∑− O Wm& , desta forma, ∑∑ −=−= OO WWm m 1ssc & & 130 Desprezando-se o trabalho de bombeamento, 21 1ssc hh −= . Se a entalpia for expressa em kJ / kg, a unidade de ssc será kg / kJ ou kg / k W h. Exemplo VIII-1: Uma planta de vapor opera entre uma pressão de vapor de 42 bar e uma pressão de condensação de 0.035 bar. Calcule, a eficiência do ciclo a taxa de trabalho (WR) e o consumo específico de vapor: a) Ciclo de Carnot usando vapor úmido; b) Ciclo de Rankine com vapor saturado seco na entrada da turbina; c) Ciclo de Rankine em (b) quando o processo de expansão possui eficiência isentrópica de 80%. Ciclo de Carnot Iniciando pelo ponto 1, onde conhecemos a pressão de saturação e para a condição de vapor saturado seco (segundo estado) podemos inferir a temperatura. Isto é, 5621 == satTT K, a 42 bar. Obs.: No programa CyclePad, utilize, 42 bar, saturação, e título igual a 1. Do mesmo modo, para a pressão de 0.035 bar tem-se, 7.2992 == satTT K, a 0.035 bar. Conhecidos os níveis de temperatura, podemos aplicar o conceito de eficiência diretamente pois trata-se do Ciclo de Carnot. 2.43 1 21 Carnot =−= T TTη %. O calor adicionado ao fluido ocorre no processo 4 → 1. Logo, 131 16984141 =−= hhQ kJ / kg Para o cálculo da taxa de trabalho, WR, precisamos do trabalho líquido e do trabalho no processo de expansão. Com o emprego da eficiência podemos calcular o trabalho líquido, isto é, 41 Carnot Q WO ∑− =η O trabalho líquido será, 7341698432.041Carnot =×==−∑ QW O η kJ / kg O trabalho na expansão é dado por 1212 hhW −= . Para o cálculo de h2, partimos da premissa que s2 = s1. Com s2 e a temperatura T2, calculamos o título (0.696) o que nos permite calcular a entalpia em 2. Então, 18082 =h kJ / kg Consequentemente, 992180828001212 =−=−= hhW kJ / kg. A razão de trabalho será 9.73 992 734WR 12 3412 ==+= W WW %. Para o consumo específico de vapor tem-se, 00136.0 734 11ssc 21 ==−= hh kg / k W s. Isto é 91.4ssc = kg / k W h. 132 Ciclo Rankine Já conhecemos, kJ / kg e , 28001 =h 180812 =h kJ / kg. O estado em 3 é facilmente determinado pois sabemos o título e a temperatura ou pressão. Portanto, 1123 =h kJ / kg. O trabalho de bombeamento é dado por )( 3434 ppvhh −=− . O volume específico será aquele do ponto 3, isto é v3 = vf. Portanto, 2.4 10 10)0035.042(001.0)( 3 5 3434 =×−×=−=− ppvhh kJ / kg. A eficiência térmica será 8.36 2.4)1122800( 2.4992 )()( )()( 3431 3412 =−− +−=−−− −+−= hhhh hhhh Rη %. Para a taxa de trabalho temos, 6.99 992 2.4992 WR =− +−= %. O consumo específico de vapor será 00101.0 2.4992 11ssc =+−== ∑ O W kg / k W s. Isto é 64.3ssc = kg / k W h. Ciclo com Expansão Irreversível A eficiência isentrópica da expansão é dada por 8.0 21 21 exp =− −= shh hhη 133 6.7939928.02112 =×=−=− hhW kJ / kg. A eficiência térmica será 4.29 2.4)1122800( 2.4793 )()( )()( 3431 3412 =−− +−=−−− −+−= hhhh hhhh Rη %. Para a taxa de trabalho temos, 5.99 793 2.4793 WR =− +−= %. O consumo específico de vapor será 001267.0 2.42.793 11ssc =+−== ∑ O W kg / k W s. Isto é 56.4ssc = kg / k W h. Ciclo Rankine com Superaquecimento O vapor que é liberado na caldeira pode ser posteriormente aquecido por intermédio de trocadores de calor onde gases de combustão, ainda com elevada temperatura, são empregados como fonte de calor. Assim, a temperatura do vapor saturado seco pode ser aumentada para valores bem superiores, sendo a limitação estabelecida principalmente pela resistência dos materiais. A Figura XII-5 ilustra o ciclo e a Fig. XII-6 a planta. RANKINE com Superaquecedor RANKINE sem Superaquecedor 1 6 3 4 T s 5 1 2 3 4 T s 5 2 Figura VIII-5: Ciclo Rankine sem e com superaquecedor. 134 5 4 3 2 1 6 Condensador Gases de combustão Bomba Combustível Ar Ar Combustível W34 -Q23 Água de resfriamento Turbina -W12 Caldeira -Q451 Superaquecedor Figura VIII-6: Planta com superaquecimento. Pode-se verificar que a única diferença para o ciclo de Rankine está no processo 6 → 1 que ocorre no superaquecedor. Este superaquecimento é isobárico. Portanto o estado do vapor no novo ponto 1 fica determinado pela pressão e pela temperatura máxima de operação da turbina ou dos gases quentes utilizados para o superaquecimento. Exemplo VIII-2: Compare a performance do ciclo de Rankine, do exemplo anterior, se o vapor é superaquecido a 500 °C. Despreze o trabalho de bombeamento. Desprezando-se o trabalho de bombeamento, a nova entalpia em 1 será 6.34421 =h kJ / kg, a 42 bar e 500 °C. Após a expansão isentrópica onde s2 = s1, determina-se o novo estado em 2 onde a pressão é 0.035 bar. O título após a expansão será 0.821. 21132 =h kJ / kg, a 0.035 bar pois s2 = s1. O trabalho líquido será, 6.132921136.34422112 =−=−=− hhW kJ / kg. O calor adicionado deve incluir a parcela de calor no superaquecimento 6.3330)28006.3442()1122800()()( 61464141 =−+−=−+−=−= hhhhhhQ kJ / kg 135 Portanto, a eficiência deste ciclo Rankine com superaquecimento será, 9.39 6.3330 6.1329 )( )( 31 12 ==− −= hh hh Rη %. O consumo específico de vapor será 000752.0 6.1329 11ssc 12 =−=−= hh kg / k W s. Isto é 71.2ssc = kg / k W h. Comparando-se os ciclos, podemos, inicialmente, concluir que a qualidade do vapor no final do processo de expansão é mais favorável ao bom funcionamento da turbina. O título no ciclo de Rankine foi de 0.696 contra 0.821 do ciclo com superaquecimento. A eficiência do ciclo aumentou com superaquecimento e sendo a ssc reduzida a planta terá, portanto, dimensões menores se comparada com aquela onde o ciclo não possuía superaquecimento. Naturalmente, algum investimento deve ser feito para a inclusão do superaquecedor. Ciclo Rankine com Reaquecimento A eficiência térmica do ciclo pode ser aumentada trabalhando-se com temperaturas médias mais elevadas. Por outro lado, o vapor na saída da turbina deve ser o mais seco possível. O aumento da pressão na entrada da turbina também eleva a eficiência do ciclo. Contudo fica quase impossível de se realizar a expansão em uma única turbina devido ao grau de umidade em que se encontrará o vapor nos estágios finais da expansão. Consequentemente, pode-se utilizar duas ou mais turbinas. A primeira realizando a expansão até o ponto em que a umidade do vapor não comprometa a qualidade da turbina. Este vapor é reconduzido para o superaquecedor onde sua temperatura é elevada a um nível mais alto para finalmente ser expandido numa segunda turbina e assim, sucessivamente. O número de superaquecedores e de turbinas é limitado unicamente por questões de custo da planta. A Figura XII-7 ilustra o ciclo com superaquecimento. 136 Os diversos processos seguem: Adição de calor, na caldeira e no reaquecimento (desprezando-se trabalho de bombeamento) )()( 263126451 hhhhQQ −+−=+ . Se o trabalho de bombeamento for desprezado, )()( 67126712 hhhhWWW O −+−=+=∑ Portanto, a eficiência térmica do ciclo com reaquecimento é dada por 26451 6712 QQ WW + +=η . )()( )()( 2631 1212 hhhh hhhh −+− −+−=η pi 6 1 2 1 6 3 4 T s 5 2 RANKINE com Superaquecedor 6 3 4 T s 5 7 RANKINE com Reaquecimento Figura VIII-7: Ciclo Rankine com reaquecimento. Exemplo XIII-3: 137 Calcule a nova eficiência e o consumo específico de vapor se incluirmos reaquecimento na planta do Exemplo XIII-2. O vapor entra na turbina a 42 bar e 500 °C. Condensação ocorre a 0.035 bar. Assuma que o vapor é saturado seco após a expansão na primeira turbina e reaquecido a temperatura inicial (500 °C). Conhecidos: 6.334421=h kJ / kg, kJ / kg. 1123=h A determinar, h2, h3, h6 e h7. Como as expansões são isentrópicas, s2 = s1 e s6 = s7. O vapor é saturado seco na saída da primeira turbina. Com o valor da entropia, encontramos a pressão de descarga. p2 = 2.3 bar. Portanto, 27132=h kJ / kg. A entalpia em 6 pode ser obtida pela pressão p6 = p2 = 2.3 bar e 500 °C. 34876=h kJ / kg. A expansão na segunda turbina libera o vapor a 0.035 bar. Sendo a expansão isentrópica, s6 = s7. Portanto, 25357=h kJ / kg. Desta forma, 1682)34872535()34432713()()( 67126712 −=−+−=−+−=+=∑ hhhhWWW O kJ / kg. 4105)27133487()1123443()()( 263126451 =−+−=−+−=+ hhhhQQ kJ / kg. A eficiência do ciclo é 41 4105 1682 =−=η % O consumo específico de vapor será 138 000595.0 1682 11ssc 12 ==−= hh kg / k W s. Isto é 14.2ssc = kg / k W h. Comparando estes valores com os resultados obtidos no exemplo anterior verifica-se uma melhora substancial no consumo específico de vapor. A eficiência também sofreu melhora. Ciclo RegenerativoPara se atingir a eficiência do ciclo de Carnot, calor deve ser fornecido e rejeitado a temperatura constante. Uma maneira de se alcançar este objetivo e obtendo uma taxa de trabalho equivalente ao do ciclo Rankine seria aumentado a temperatura da água que sai da bomba para a temperatura de saturação de entrada na caldeira. Este método não tem sentido prático mas serve para ilustrar a possibilidade se aumentar a eficiência por algum meio correspondente. A Figura VIII-8 ilustra esta idéia. 1 2’ 2 3 3’ T s 4 RANKINE com Regenerador 6 5 7 8 Figura VIII-8: Ciclo Rankine regenerativo. A água pressurizada passa pela turbina inicialmente a temperatura T3. No interior da turbina, ocorre transferência de calor do vapor em expansão para o líquido condensado elevando a temperatura deste a T4 que é a temperatura de saturação na entrada da caldeira. Este processo de transferência de calor é ideal (reversível) pois ocorre com diferença de temperatura muito pequena. A representação hipotética desta planta pode ser vista na Fig. VIII-8. Com auxílio da Fig. VIII-8 pode-se verificar que o calor rejeitado pelo vapor em expansão no interior da turbina é dado pela área 1 – 2 – 5 – 6 – 1 e é exatamente igual ao calor adicionado à água, área 4 – 1 – 6 – 7 – 4. Esta troca de calor reversível é interna, não sendo realizada com a vizinhança. As únicas interações de calor com o meio exterior ocorrem a temperatura 139 constante. Consequentemente, a eficiência do ciclo regenerativo é a mesma da do ciclo de Carnot. 2 3 Turbina -W12 -Q2’3’ 2’ 4 1 Gases de combustão Bomba Combustível Ar Ar Combustível Condensador W3’3 Água de resfriamento Caldeira 3’ Q41 Figura VIII-8: Planta Básica do Ciclo Regenerativo. Como foi dito, este ciclo não pode ser colocado em prática. Por exemplo, condensação de vapor no interior da turbina é indesejável. Contudo, vapor pode ser retirado do interior da turbina com o propósito de aquecer a água antes desta entrar na caldeira. Este vapor é diretamente misturado com a água a uma pressão intermediária. O vapor remanescente continua o processo de expansão até a pressão na qual calor é rejeitado. A Figura XIII-9 ilustra esquematicamente uma planta operando em ciclo regenerativo. A Figura XIII-10 apresenta o ciclo regenerativo num diagrama T – s. O vapor expande no interior da turbina até uma pressão intermediária p6. Neste instante, parte do vapor é retirado para aquecer a água de alimentação da caldeira. O restante do vapor continua o processo de expansão até o estado 2. Este vapor remanescente é então condensado e bombeado até a pressão intermediária em que o vapor foi retirado (p6) para ser misturado num processo adiabático (sem troca de calor com o meio). Resta à caldeira suprir calor apenas entre os estados 8 e 1, isto é, elevar T8 até a temperatura de vapor superaquecido seco T1. Permanece por determinar qual a pressão intermediária em que o vapor deve ser retirado da turbina. Como a idéia é providenciar troca de calor entre este vapor e a água de alimentação 140 da caldeira, a escolha é, então, baseada na determinação de uma temperatura ótima. Esta temperatura, como ponto de partida, é simplesmente a média aritmética entra as temperaturas T5 e T2, devendo depois ser adequada as condições gerais do processo. Isto é, 2 25 6 TT T +≈ 4 7 8 5 1 1 Gases de combustão Combustível Ar Ar Combustível Bomba W78 Turbina -W12 Caldeira 3 2 Condensador -Q23 Água de resfriamento -Q851 Bomba W34 6 y kg (1-y) kg Figura VIII-9: Planta Básica. (1-y) kg 8 7 3 1 kg 1 4 T s 5 2 RANKINE com Regenerador y kg (1-y) kg 1 kg Figura VIII-10: Ciclo Rankine regenerativo. 141 Exemplo XIII-4: Se o ciclo do Exemplo XIII-1 é modificado de forma a incluir um aquecedor (regenerador), calcule a eficiência do ciclo e o consumo específico de vapor. Sabendo que, a 42 bar, T1 = 253.2 °C (saturado seco) e a 0.035 bar, T2 = 26.7 °C. 140 2 7.262.253 2 21 6 =+=+≈ TTT °C. Nas tabelas de vapor, encontramos dados para 3.5 bar o que equivale a uma temperatura de 138.9 °C. Portanto, usaremos este valor para a temperatura de sangria do vapor. A fração de vapor (y) que deve ser retirada deve suprir exatamente a quantidade de vapor para aquecer a água de alimentação da caldeira (1-y) de T4 para T7. Portanto, calcula-se esta quantidade de calor e em seguida determina-se o fluxo de sangria necessário. Desta forma, 746 )1( hhyyh =−+ Portanto, 36 37 46 47 hh hh hh hh y − −=− −= . Na expressão acima desprezou-se o trabalho de bombeamento. Conhecidos, 5847=h kJ / kg; kJ / kg e s1123=h 1 = s6 = s2 = 6.049 kJ / kg. Inferindo-se os respectivos títulos, determinamos 23646=h kJ / kg e 18082=h kJ / kg. Portanto, 21.0 1122364 112584 36 37 =− −=− −= hh hh y kg. Desprezando-se o trabalho de bombeamento entre 7 e 8. 142 22165842800)( 7181 =−=−= hhQ kJ / kg. O trabalho líquido é dado por ))(1()( 62166216 hhyhhWWW O −−+−=+=∑ Isto é, 876)23641808)(21.01()28002364( −=−−+−=∑ O W kJ / kg. A eficiência do ciclo é 6.39 2216 876 =−=η % O consumo específico de vapor será 001142.0 876 11ssc =−== ∑ O W kg / k W s. Isto é 11.4ssc = kg / k W h. Comparando-se estes resultados com os do Exemplo VIII-1, verifica-se que a eficiência aumentou de 36.8 % para 39.6 %. Contudo, o consumo específico de vapor aumentou de 3.64 kg / k W h para 4.11 kg / k W h. A eficiência do ciclo pode ainda ser aumentada com a adição de outros regeneradores (maior número de extrações) mas, por outro lado, necessita-se comprar mais equipamentos, aumentando, portanto, o capital investido na planta. 143 Máquinas Térmicas A dificuldade prática de se comprimir um mistura de líquido e vapor, conduz à uma modificação importante no ciclo proposto por Carnot. Este ciclo é conhecido como Rankine. Ciclo Rankine Na análise dos processos podemos utilizar os conceitos já desenvolvidos. Como os equipamentos trabalham com fluxo de massa, utilizamos a primeira lei para volume de controle em todos os equipamentos. Eficiências no ciclo Rankine Ciclo Rankine com Superaquecimento Ciclo Rankine com Reaquecimento Ciclo Regenerativo
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