ciclo rankine

Prévia do material em texto

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais 
 Departamento de Engenharia Mecânica 
MÁQUINAS TÉRMICAS I 
 
 
Prof. Leonardo Vinícius 
 leonardo.vinicius@fcagroup.com 
 
o Sistemas de Potência a Vapor 
o Tipos de configurações de usinas a vapor 
o Componentes principais 
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
 Máquina Térmica 
Pode ser definida como um dispositivo que, operando segundo um ciclo 
termodinâmico, realiza um trabalho líquido positivo por meio da transferência de calor 
de um corpo a temperatura elevada para um corpo a temperatura baixa. 
Frequentemente a denominação Máquina Térmica é utilizada em um sentido mais 
amplo para designar todos dispositivos que produzem trabalho, através da condução 
de calor ou combustão, mesmo que o dispositivo não opere segundo um ciclo 
termodinâmico. 
Exemplos de Máquinas Térmicas: 
 
 Motor de combustão interna 
 Turbina a gás 
 Instalação motora a vapor (Caldeira) 
 Gerador Termoelétrico 
 Refrigerador 
 Bomba de calor 
welisson
Realce
welisson
Realce
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
 O Ciclo de Rankine representa o bloco básico de construção das 
usinas de potência a vapor. 
 Principais configurações de usinas (operando no Ciclo Rankine): 
 Combustível fóssil 
 Reator Nuclear com água pressurizada 
 Energia Térmica Solar 
 Energia Geométrica 
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
1. Acionamento por Combustível Fóssil 
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
2. Acionamento por Reator Nuclear com Água Pressurizada 
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
3. Acionamento por meio de Energia Térmica Solar. 
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
4. Acionamento Energia Geotérmica. 
8.1 – Introdução Usinas de Potência a Vapor 
 A usina é dividida em quatro principais subsistemas: 
 Gerador de Vapor / Caldeira (A) 
 Turbina (B) 
 Trabalho de Eixo / Gerador Elétrico (C) 
 Circuito de Água de Refrigeração / Condensador (D) 
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
A view of the GPU International 80 MW natural gas fired plant adjacent to the Syracuse 
University campus in Syracuse NY 
Photo Courtesy of GPU International 
Central de Pego – Portugal – 584 MW 
 Caldeira 
 
É basicamente um trocador de calor que trabalha com pressão superior à pressão atmosférica, 
produzindo vapor a partir da energia térmica fornecida por uma fonte. Esta definição abrange todos 
os tipos de caldeiras, sejam as que vaporizam água, mercúrio ou outros fluidos e que utilizam 
qualquer tipo de energia: térmica (seja convencional, como combustível fóssil, ou não convencional, 
como energia nuclear ou solar) ou elétrica. 
 
8.1 – Definições: Caldeira 
 
A fonte de calor é um combustível específico para esta 
finalidade. Podem ser aproveitados calores residuais de 
processos industriais, escape de motores diesel ou turbinas a 
gás, dando ênfase à racionalização energética de sistemas 
complexos (caldeira de recuperação). 
 
Em alguns casos o fluido permanece no estado líquido, 
apenas com temperatura elevada para ser aproveitado nos 
processos de aquecimento (calefação), formando, deste 
modo, caldeiras de água quente ou aquecedores de água. 
Para produção de vapor d'água, é necessário que haja a 
combustão na caldeira. 
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
Turbina a vapor multi-estágios 
 Turbina 
 
É um dispositivo que desenvolve potência em função da passagem de um gás 
ou líquido escoando através de uma série de pás instaladas em um eixo livre 
para girar. 
São amplamente empregadas para a geração de potência em instalações de 
potência a vapor, instalações de potência com turbinas a gás e em motores a 
jato de aeronaves. 
Nestas aplicações o vapor d’água superaquecido ou um gás entra no dispositivo 
e se expande até uma pressão inferior conforme a potência é gerada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8.1 – Definições: Turbina 
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
8.2 – Modelagem do Ciclo de Rankine 
Turbina: 
1 2
tW h h
m


 
Condensador): 
2 3
outQ h h
m


 
Caldeira (Boiler): 
1 4
inQ h h
m


 
Bomba: 
4 3
pW
h h
m


 
Performance da Instalação 
 Geradora de Vapor: 
   
 
1 2 4 3
1 4
/ /
/
t p
in
W m W m h h h h
h hQ m

   
 
   
 

Ciclo de Rankine 
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
welisson
Realce
Processes 1-2, 3-4: Isentropic 
Processes 2-3, 4-1: Isobaric 
Saturated liquid at State 3 
Reversible Pump Work Equation: 
For Incompressible Fluids Only! 
 3 4 3
int 
rev
pW
v p p
m


 
   
 
 
Idealizações do Ciclo de Rankine 
 1 2tW m h h
 
 
 4 3pW m h h
 
 
 
 
1 2
1 2
t
s
h h
h h




 
 
4 3
4 3
s
p
h h
h h




Análise dos principais componentes 
 1 4inQ m h h
 
 
 2 3outQ m h h
 
 
Análise dos principais componentes 
/ /
/
t p
in
W m W m
Q m

   
 


/
/
p
t
W m
bwr
W m
 
 

Parâmetros de Desempenho do Ciclo de Rankine 
8.2.1 – Trabalho e transferência de calor 
Equação da Conservação de Energia : 








 )zz(g
2
VV
)hh(.mWQ0 SE
2
S
2
E
SE.c.v.c.v

21
t hh
m
W



Condensador: 
Turbina 
expansão adiabática 
32
sai hh
m
Q



Bomba 
34
b hh
m
W



compressão adiabática 
Caldeira: 
41
ent hh
m
Q














)hh(
)hh()hh(
Q
WW
Q
W
41
3421
ent
bt
ent
liq




)hh(
)hh(
1
Q
QQ
41
32
ent
saient




 

Ciclo de Rankine ideal: 
Processso 1-2 : Expansão Isentrópica do fluido de trabalho => vapor saturado (1) a mistura (2) 
Processso 2-3 : Rejeição de calor a pressão constante => mistura (2) a liquido saturado (3) 
Processso 3-4 : Compressão isentrópica do fluido => liquido saturado (3) a líquido comprimido (4) 
Processso 4-1 : Transferência de calor a pressão constante => liquido comprimido (4) a 
vapor saturado (1) 
Razão de trabalho reversa: 
)hh(
)hh(
W
W
bwr
21
34
t
b


 

8.2.2 – Rendimento do Ciclo 
Exemplo 8.1 : 
Potência Líquida: 100 MW 
Calcular: a) Eficiência térmica. 
c) vazão de vapor em kg/h. 
b) razão de trabalho reversa. 
d) taxa de transferência de calor que entra. 
e) taxa de transferência de calor que sai. 
f) vazão de água de arrefecimento (Tent = 15 
oC e Tsai = 35 
oC). 
Estado 1 do ciclo: Vapor saturado a 8 MPa 
tabela A-3 => h1 = 2758 kJ/kg 
=> s1 = 5,7432 kJ/kg.K 
Estado 2: Mistura líquido-vapor a 0,008 MPa 
1-2 Expansão isoentrópica => s2 = 5,7432 kJ/kg.K 
6745,0
6361,7
5926,07432,5
ss
ss
x
fg
f2
2 





Título x2 
kg/kJ8,794.11,403.2)6745,0(88,173h.xhh fg2f2 
Entalpia h2 
Estado 3: Líquido saturado a 0,008 MPa h3 = 173,88 kJ/kg 
Estado 4: Líquido saturado a 8 MPa 
)pp.(vh
m
W
hh 3433
b
34  

h4 = 173,88+1,008x10
-3 . (8-0,008)x106 / 103 kJ/kg = 173,88 + 8,06 kJ/kg 
h4 = 181,94 kJ/kg 
h1 = 2.758 kJ/kg 
h2 = 1.795 kJ/kg 
h3 = 173,9 kJ/kg 
h4 = 181,9 kJ/kg 
)hh()hh(
m
W
m
W
3421
bt 



Trabalho líquido por kg de fluido: 
)]9,1739,181()795.1758.2[(
m
Wlíq



]kg/kJ[9558963
m
Wlíq



]kW[10x1]s/kJ[000.1x100W 5líq 

MW7,169)621.1(7,104)174795.1(7,104)hh(mQ 32sai  

a) 
%1%83,00083,0
963
8
)hh(
)hh(
W
W
bwr
21
34
t
b 


 

b) 
]h/t[376]h/kg[10x76,3]s/kg[7,104
955
000.100
m 5 
c) 
%3737,0
1,576.2
955
9,181758.2
955
)hh(
)hh()hh(
Q
W
41
3421
ent
liq










 

MW7,269)576.2(7,104)182758.2(7,104)hh(mQ 41ent  

d) 
e) 
 8.2.3 – Efeitos da pressão na caldeira e no condensador 
 Comparação com ciclo de Carnot 
 8.2.4 – Irreversibilidades e perdas principais 
T 
s 
Eficiência isentrópica da turbina 
  s21
21
st
t
t
hh
hh
mW
mW





Eficiência isentrópica da bomba 
 
34
3s4
b
sb
b
hh
hh
mW
mW





Exemplo 8.2 : Ciclo com irreversibilidades 
Eficiência da turbina e da bomba = 85% 
Potência líquida = 100 MW 
Calcular: a) Eficiência térmica: 
c) vazão de vapor em kg/h 
b) razão de trabalho reversa 
d) taxa de transferência de calor que entra 
e) taxa de transferência de calor que sai 
Ponto 1 do ciclo: Vapor saturado a 8 MPa 
tabela A-3 => h1 = 2758 kJ/kg 
=> s1 = 5,7432 kJ/kg.K 
Ponto 2: Mistura líquido-vapor a 0,008 MPa 
1-2 Expansão isoentrópica => s2 = 5,7432 kJ/kg.K 
73,0
403.2
765.1
174577.2
174939.1
h
hh
x
fg
f2
2 





Título x2 
kg/kJ8,794.11,403.2)6745,0(88,173h.xhh fg2fs2 
Entalpia h2s 
kg/kJ939.1)8,794.1758.2()85,0(758.2)hh(hh s21t12 
Entalpia h2 
líquido saturado a 0,008 MPa Ponto 3: h3 = 173,88 kJ/kg 
Ponto 4: líquido saturado a 8 MPa 
]kg/kJ[06,8)pp.(vhh
m
W
3433s4
s
b 









h4 = 173,88+9,48 =183,36 kJ/kg 
]kg/kJ[48,9
85,0
06,8
m
W
.
m
W
m
W b
b
b
s
b 













h1 = 2.758 kJ/kg 
h2 = 1.939 kJ/kg h3 = 173,9 kJ/kg 
h4 = 183,4 kJ/kg 
)hh()hh(
m
W
m
W
3421
bt 




Trabalho líquido por kg de fluido 
)]9,1734,183()939.1758.2[(
m
Wlíq



]kg/kJ[5,8095,9819
m
Wlíq



]kW[10x1]s/kJ[000.1x100W 5líq 

MW5,215)765.1(1,122)174939.1(1,122)hh(mQ 32sai  

a) 
%16,10116,0
819
5,9
)hh(
)hh(
W
W
bwr
21
34
t
b 


 

b) 
]h/t[439]h/kg[10x39,4]s/kg[1,122
819
000.100
m 5 
c) 
%4,31314,0
6,574.2
5,809
4,183758.2
5,809
)hh(
)hh()hh(
Q
W
41
3421
ent
liq










 

MW3,314)6,574.2(1,122)4,183758.2(1,122)hh(mQ 41ent  

d) 
e) 
8.3 – Superaquecimento e reaquecimento 
Exemplo 8.3 : 
Ciclo sem irreversibilidades 
Potência líquida = 100 MW 
Eficiência do ciclo = 40,3 % 
Transferência de calor na caldeira = 248 MW 
Transferência de calor no condensador = 148 MW 
]h/t[236]h/kg[10x363,2m 5 
Exemplo 8.4 : 
Ciclo com irreversibilidades 
Eficiência isentrópica da turbina = 85% 
Potência líquida = 100 MW 
Eficiência do ciclo = 35,1 % 
Transferência de calor na caldeira = 285 MW 
Transferência de calor no condensador = 185 MW 
]h/t[278]h/kg[10x782,2m 5 
8.4 – Ciclo de potência a vapor regenerativo 
8.4.1 – Aquecedores de água abertos (misturador) 
Exemplo 8.5 : 
Ciclo com irreversibilidades 
Eficiência isentrópica da turbina = 85 % 
Potência líquida = 100 MW 
Eficiência do ciclo = 36,9 % Transferência de calor na caldeira = 271 MW 
Transferência de calor no condensador = 171 MW 
]h/t[369]h/kg[10x69,3m 5 
8.4.2 – Aquecedores de água de alimentação fechados 
8.4.3 – Aquecedores de água de alimentação múltiplos 
Exemplo 8.6 : 
Ciclo sem irreversibilidades 
Potência líquida = 100 MW 
Eficiência do ciclo = 43,1 %