lista 8 - ciclo de potencia a vapor

Prévia do material em texto

Prof. Esp. Richard Pimenta | Ciclos de Potência à Vapor 1 
 
Exemplo 1. Determine o rendimento de um ciclo de Rankine que utiliza água como fluido de trabalho. A pressão no 
condensador do ciclo é igual a 10 kPa e a caldeira opera a 2 MPa. O vapor deixa a caldeira como vapor saturado. 
 
 
 
Exemplo 2. Num ciclo de Rankine, o vapor d’água deixa a caldeira e entra na turbina a 4MPa e 400°C. A pressão no 
condensador é igual a 10kPa. Determine o rendimento do ciclo. 
 
Exemplo 3. Considere um ciclo com reaquecimento 
que utiliza água como fluido de trabalho. O vapor deixa 
a caldeira e entra na turbina a 4MPa e 400°C. O vapor 
expande até 400kPa na turbina de alta pressão, é 
reaquecido até 400°C e então expande novamente na 
turbina de baixa pressão até 10kPa. Determine o 
rendimento do ciclo. 
 
Exemplo 4. Considere um ciclo regenerativo que utiliza água como fluido de trabalho. O vapor deixa a caldeira, e entra 
na turbina, a 4 MPa e 400°C, Após expansão até 400kPa, parte do vapor é extraída da turbina cm o propósito de aquecer 
a água de alimentação num aquecedor de mistura. A pressão no aquecedor de água de alimentação é iguala a 400 kPa. 
O vapor não extraído é expandido, na turbina, até a pressão de 10 kPa. Determine o rendimento do ciclo. 
 
 
 
Exemplo 5. Uma central térmica a vapor opera segundo o ciclo indicado na figura abaixo. Sabendo a eficiência da 
turbina é 86% e que a bomba é 80%, determine o rendimento térmico deste ciclo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Esp. Richard Pimenta | Ciclos de Potência à Vapor 2 
 
Exercício 01. Uma central de potência a vapor, como 
a mostrada na figura abaixo, opera num ciclo de 
Rankine. O vapor é descarregado da caldeira como 
vapor saturado a 3MPa e o condensador opera a 
10kPa. 
a) Determine o trabalho especifico, 
b) A transferência de calor em cada componente do ciclo ideal, 
c) A eficiência do ciclo. 
 
Exercício 02. Considere um ciclo de Rankine ideal movido à energia solar que utiliza água como o fluido de trabalho. 
Vapor saturado sai do coletor solar a 175°C e a pressão do condensador é 10kPa. Determine o rendimento térmico 
deste ciclo. 
 
Exercício 03. Uma central de potência a vapor, operando num ciclo de Rankine, apresenta pressão máxima igual a 
3,5MPa. As temperaturas máximas e mínimas do ciclo são iguais a 450°C e 45°C. Determine a eficiência deste ciclo e 
aquela de um ciclo de Carnot que opera entre reservatórios térmicos que apresentam temperaturas iguais a máximas e 
mínimas do ciclo de Rankine. 
 
Exercício 04. Um ciclo Rankine, que utiliza amônia como fluido de trabalho, é adicionado por energia solar. A amônia é 
descarregada do aquecedor solar a 140°C e 5,0 MPa. O condensador do ciclo é refrigerado com água e a amônia deixa o 
condensador a 25°C. Determine a temperatura, a pressão e o título, se aplicável, nos quatro estados do ciclo. 
 
Exercício 05. Uma central de potência a vapor, operando num ciclo de Rankine, apresenta pressão máxima igual a 
5MPa e mínima de 15 kPa. Sabendo que o valor mínimo aceitável para o título do vapor na seção de descarga da turbina 
é 95% e que a potência gerada na turbina é igual a 7,5 MW, determine a temperatura na seção de descarga da caldeira 
e a vazão em massa de água no ciclo. 
 
Exercício 06. Um suprimento de água quente geotérmica é utilizado como fonte energética num ciclo de Rankine ideal. 
O fluido de trabalho no ciclo é o R-134a e, na seção de saída do gerador de vapor, o fluido esta no estado de vapor 
saturado a 85°C. Sabendo que a temperatura no condensador é 40°C, calcule o rendimento térmico deste ciclo. 
 
Exercício 07. Refaça o exercício anterior admitindo que o fluido de trabalho do ciclo é o R-22. 
 
Exercício 08. Refaça o exercício anterior admitindo que o fluido de trabalho do ciclo é a amônia. 
 
Exercício 09. A figura ao lado mostra um ciclo de potência Rankine que utiliza amônia como fluido de trabalho e que foi 
projetado para operar a partir da diferença de temperaturas existente na água dos oceanos. Admitindo que a 
temperatura superficial da água é igual a 25°C, que a temperatura numa certa profundidade é igual a 5°C e que a vazão 
de amônia no ciclo é 1000 kg/s, determine: 
a) A potência desenvolvida na turbina e a consumida na bomba. 
b) A vazão em massa de água através de cada trocador de calor. 
c) O rendimento térmico deste ciclo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Esp. Richard Pimenta | Ciclos de Potência à Vapor 3 
 
Exercício 10. A caldeira de uma pequena central de potência produz 25kg/s de vapor d’água a 3MPa e 600°C. A 
temperatura de operação do condensador é 45°C e o calor rejeitado no ciclo é transferido ao mar. Sabendo que as 
temperaturas nas seções de alimentação e descarga de água do mar no condensador são iguais a 12°C e 15°C, 
determine: 
a) A potência líquida produzida no ciclo; 
b) A vazão de água do mar no condensador. 
 
Exercício 11. O ciclo de potência descrito no exercício 01 é modificado pela instalação de um superaquecedor entre a 
caldeira e a turbina. Após a instalação do equipamento, a temperatura e a pressão do vapor gerado passaram a ser 
iguais a 400°C e 3,0MPa. Determine: 
a) O trabalho específico e a transferência de calor em cada um dos componentes do ciclo ideal. 
b) A eficiência térmica do ciclo. 
 
Exercício 12. A caldeira de um ciclo de potência a vapor d’água descarrega vapor a 4MPa e 500°C e a temperatura na 
seção de descarga do condensador é igual a 45°C. Admitindo que todos os componentes do ciclo se comportam como 
ideais, determine a eficiência do ciclo. Calcule, também, o trabalho específico e a transferência de calor em cada um dos 
componentes do ciclo. 
 
Exercício 13. A caldeira de uma pequena central de potência produz vapor d’água a 3MPa e 600°C. O fluido de trabalho 
muda de fase no condensador a 45°C e a taxa de transferência de calor nesse equipamento é 10MW. A primeira 
expansão na turbina é realizada até a pressão de 500 kPa e, nesta pressão, é realizado um reaquecimento. Após a 
operação, o vapor expande até a pressão do condensador. Determine a temperatura de reaquecimento necessária para 
que a turbina de baixa pressão descarregue vapor saturado. Determine, para esta temperatura de reaquecimento, a 
potência total produzida na turbina e a taxa de transferência de calor na caldeira do ciclo. 
 
Exercício 14. Considere um ciclo ideal com reaquecimento no qual o vapor d’água entra na turbina de alta pressão a 
3MPa e 400°C e expande até 0,8MPa. O vapor é então reaquecido até 400°C e expande até 10kPa na turbina de baixa 
pressão. Calcule: 
a) O rendimento térmico do ciclo; 
b) E o título do vapor na seção de descarga da turbina de baixa pressão. 
 
Exercício 15. A caldeira de uma pequena central de potência produz 25kg/s de vapor d’água a 3MPa e 600°C. O fluido de 
trabalho muda de fase no condensador a 45°C. A primeira expansão na turbina é realizada até a pressão de 500kPa e, 
nesta pressão, é realizado um reaquecimento até que a temperatura atinja 400°C. Após esta operação, o vapor expande 
até a pressão do condensador. Determine: 
a) A potência líquida do fluido e; 
b) A taxa total de transferência de calor na caldeira. 
 
Exercício 16. A pressão de reaquecimento afeta as variáveis operacionais dos ciclos de potência e, por isso, o 
comportamento da turbina. Refaça o exercício 14 considerando que a pressão é igual a 0,6MPa. O que ocorre se esta 
pressão for igual a 1MPa? 
 
Exercício 17. Deseja-se estudar o efeito do número de estágios de reaquecimento sobre o comportamento do ciclo ideal 
com reaquecimento. Repita o exercício 14, utilizando dois estágios de reaquecimento, um a 1,2MPa e o segundo a 
0,2MPa, em vez de um únicoreaquecimento a 0,8MPa. 
 
Exercício 18. Um aquecedor de água de alimentação, do tipo mistura, é alimentado, num ciclo de potência regenerativo, 
com 20kg/s de água a 100°C e 2MPa. Sabendo que o vapor extraído da turbina entra no aquecedor a 2MPa e 275°C e 
que a água deixa o aquecedor como líquido saturado, calcule a vazão necessária de vapor extraído da turbina. 
 
Exercício 19. Um ciclo de potência a vapor d’água opera com um aquecedor de mistura. A temperatura do fluido no 
condensador é 45°C e a caldeira descarrega o vapor a 5MPa e 900°C. A pressão na seção de extração (intermediária) da 
turbina é 1MPa e o estado da água na seção de descarga do aquecedor é o de líquido saturado. 
a) Determine a relação entre a vazão em massa de vapor na extração e a vazão em massa de água na caldeira. 
b) Calcule, também, os trabalhos específicos nas duas bombas do ciclo. 
 
Prof. Esp. Richard Pimenta | Ciclos de Potência à Vapor 4 
 
 
Exercício 20. O fluido de trabalho de um ciclo de potência que utiliza uma fonte quente com temperatura baixa é a 
amônia. A temperatura mais alta do ciclo é igual a 120°C e ocorre num local onde a pressão é 5MPa. A pressão mais 
baixa do ciclo é igual a 1003kPa e o aquecedor da mistura opera a 2033kPa. A vazão em massa total na caldeira do ciclo 
é 5,0kg/s. 
a) Determine a vazão em massa de vapor extraído da turbina sabendo que a amônia é descarregada no aquecedor 
de mistura como líquido saturado a 2033kPa. 
b) Calcule, também, a potência total utilizada para acionar as bombas utilizadas no ciclo.