781Y EnTérmica 20170215

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Energia Térmica
781Y
Eng. Dr. Marcos Noboru Arima
15 de fevereiro de 2017
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo de Carnot
Processo
I Processo isotérmico reversível:
QH
I Processo adiabático reversível:
TH → TL
I Processo isotérmico reversível:
QL
I Processo adiabático reversível:
TL → TH
Inviabilidade Tecnológica do Motor de Carnot
I O excesso de gotas de líquido na turbina provoca erosão
nas pás.
I A fase vapor na bomba reduz seu rendimento e provoca
cavitação.
I Dificuldade de efetuar transferência de calor
isotérmicamente e sem mudança de fase.
Eficiência do Motor de Carnot
ηt =
Valor Útil
Valor Pago
ηt =
Wrev
QH
=
QH −QL
QH
QH = TH(Sb − Sa)
QL = TL(Sb − Sa)
Wrev = (TH − TL)(Sb − Sa)
ηC =
QH −QL
QH
=
(TH − TL)(Sb − Sa)
TH(Sb − Sa) =
TH − TL
TH
= 1 =
TH
TL
≥ ηt
Shapiro - exercícios 8.3
Shapiro - exercícios 8.6
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo 1-2-3-4-1
1-2 Compressão isentrópica
2-3 Absorção de calor isobárica
3-4 Expansão isentrópica
4-1 Absorção de calor isotérmica.
Ponto 1 Líquido
Saturado
Ponto 3 Vapor
Saturado
Desvantagem Redução do título na saída da turbina a medida que a
eficiência aumenta.
Shapiro - exercícios 8.1
Shapiro - exercícios 8.2
Shapiro - exercícios 8.4
Shapiro - exercícios 8.5
ENADE 2011 - exercício 14
ENADE 2008 - exercício 29
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo Rankine Ideal com Superaquecimento
Ciclo 1-2-3’-4’-1
1-2 Compressão isentrópica
2-3 Absorção de calor isobárica
3’-4’ Expansão isentrópica
4’-1 Absorção de calor isotérmica.
Ponto 1 Líquido
Saturado
Ponto 3’ Vapor
Superaquecido
Çengel - exemplo 10.1
Efeitos da Temperatura e da Pressão
Aumento da Pressão da Turbina para Mesmo Tmax
Efeitos da Temperatura e da Pressão
Resumo
Çengel - exemplo 10.3
Çengel - exemplo 10.7
Ciclo Rankine Real com Superaquecimento (1/2)
ηB =
wBs
wB
=
h1 − h2s
h1 − h2a; ηT =
wT
wTs
=
h3 − h4a
h3 − h4s
wBs ≈ v1(P1 − P2a) = v1(P1 − P2s)
Ciclo Rankine Real com Superaquecimento (2/2)
Çengel - exemplo 10.2
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento (1/2)
I Aumento do título na saída da
turbina.
I Aumento da eficiência térmica, se
TH do reaquecimento for maior que
TH do superaquecimento.
I Quanto maior o número de estágios,
maior a eficiência e maior o custo.
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento (2/2)
Considere os ciclos:
I 1-2-3-4-5-6-1
I 1-2-3’-6-1
I 1-2-3-6’-1
I Qual é mais eficiente?
I Qual recebe mais calor?
I Qual rejeita mais calor?
I Qual produz mais trabalho?
Çengel - exemplo 10.4
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo Rankine com Regeneração e de Carnot
Ciclo Rankine com Regeneração (1/3)
Ciclo Rankine com Regeneração (2/3)
Ciclo Rankine com Regeneração (3/3)
Çengel - exemplo 10.5
Çengel - exemplo 10.6
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Planta de Cogeração Sem Rejeição de Calor
Planta de Processo
Planta de Cogeração
Planta de Cogeração Com Rejeição de Calor
Çengel - exemplo 10.8
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo Supercrítico
Propriedades Críticas
Símbolo Tc Pc
[oC] [MPa]
H2O 374 22,6
NH3 132 11,28
C4H10 − n 152 3,8
Hg 1477 172
R − 134a 101 4,059
Vaporização a 1atm
Símbolo Tvap hlv
[oC] [kJ/kg]
H2O 100 2257
NH3 -33,3 1357
C4H10 − n -0,5 385,2
Hg 356,7 294,7
R − 134a -26,1 217
Ciclo Binário
Ciclo Combinado Gás-Vapor
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
Ciclo de Carnot: 1’-2’-3-4’-1
1’-2’ Compressão isentrópica
I Dificuldade tecnológica devido ao escoamento bifásico.
2’-3 Rejeição de calor isotérmica
3-4’ Expansão isentrópica
I Dificuldade tecnológica devido ao escoamento bifásico.
I Pequeno benefício devido ao valor reduzido do trabalho
obtido da expansão de um fluido de título reduzido (volume
específico reduzido: w ≈ v(P3 − P4′)).
4’-1’ Absorção de calor isotérmica.
Shapiro - exercícios 10.2
Tonelada de refrigeração (TR): Valor aproximado da potência
necessária para congelar 2000 lb (907,1847 kg) de água em
um período de 24 horas.
hsl = 333,55 kJ/kg
1TR = 3,51685284 kW
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
Ciclo de Rankine Reverso: 1-2-3-4’-1
1-2 Compressão isentrópica
2-3 Rejeição de calor isobárica
3-4’ Expansão isentrópica
I Dificuldade tecnológica devido ao escoamento bifásico.
I Pequeno benefício devido ao valor reduzido do trabalho
obtido da expansão de um fluido de título reduzido (volume
específico reduzido: w ≈ v(P3 − P4′)).
4’-1 Absorção de calor isotérmica.
Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor
Ciclo Ideal: 1-2-3-4-1
1-2 Compressão isentrópica
2-3 Rejeição de calor isobárica
3-4 Expansão isentalpica
4-1 Absorção de calor
isotérmica.
Ponto 1 Vapor
SaturadoPonto 3 Líquido
Saturado
Shapiro - exercícios 10.1
Shapiro - exercício 10.33
Shapiro - exercício 10.34
Çengel - exercício 11.24
Çengel - exemplo 11.1
Çengel - exercício 11.29
Çengel - exercício 11.32
ENADE 2011 - exercício 15
A figura ao lado representa um
sistema de refrigeração por
compressão de vapor com seus
principais componentes e seu
respectivo ciclo teórico ideal,
construído sobre um diagrama
P − h.
Observando os processos ter-
modinâmicos que constituem o
ciclo teórico, analise as infor-
mações que se seguem.
I- 1 → 2 é um processo adi-
abático em reversível com
aumento de temperatura e
pressão.
II- 2 → 3 é um processo iso-
térmico com pressão cons-
tante.
III- 3 → 4 é um processo
isoentalpico com expansão
reversível.
Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor
Ciclo Real: 1-(2/2’)-3-4-5-6-7-8-1
1-2 Compressão com σ +Q/T < 0
1-2’ Compressão com σ +Q/T > 0
(2/2’)-3-4 Perda de pressão e transferência de calor do refrigerante para o meio quente
4-5 Perda de pressão e transferência de calor do refrigerante para o meio quente
é desejável, pois aumenta a capacidade de retirada de calor do meio frio.
5-6 Expansão
6-7-8 Perda de pressão e transferência de calor do meio frio para o refrigerante
8-1 Perda de pressão e transferência de calor do meio frio para o refrigerante é
indesejável, pois aumenta o trabalho do compressor (aumento do volume
específico do refrigerante)
Ponto 8 Vapor superaquecido
Ponto 4 Líquido comprimido
Çengel - exemplo 11.2
Shapiro - exercício 10.35
Propriedades do Fluido Refrigerante
Segurança e Meio Ambiente
Fluido Refrigerante
Nome Número Tipo Fórmula GWP
R-12 CFC CCl2F2 10900
R-11 CFC CCl3F 4750
R-114 CFC CClF2CClF2 20000
R-113 CFC CCl2FCCLF2 6130
R-22 HCFC CHClF2 1810
R-134a HFC CH2FCF3 1430
R-410A Mistura HFC R-32; R-125 1725
R-407C Mistura HFC R-32; R-125;
R-134a
1526
Dióxido de
Carbono
R-744 Natural CO2 1
Amônia∗ R-717 Natural NH3 0
Propano∗∗ R-290 Natural C3H8 10
Metano∗∗ R-50 Natural CH4 25
Butano∗∗ R-600 Natual C4H10 10
∗ Tóxico
∗∗ Inflamáveis
Propriedades do Fluido Refrigerante
Propriedades Termodinâmicas
Número Tvapor Tgelo Tc [oC] Pc [kPa]
@1atm [oC] @1atm [oC]
R-11 23,8 -111,1 198 4413
R-12 -29,89 -157,8 112 4116
R-22 -40,72 -160 96,1 4978
R-113 47,8 -35 214 3441
R-114 3,56 -93,89 146 3261
R-123 27,8 -107,2 184 3675
R-134a -26,11 -96,67 101 4068
R-410A -48,56 72,2 4758
R-744 -78,56 -56,67 31,1 7378
R-717 -33,3 -77,72 133 11425
R-290 -42,22 -189,9 96,7 4254
R-50 -161,7 -182,6
R-600 -0,444 -138,3 152 3799
Shapiro - exercícios 10.3
ENADE 2008 - exercício 38
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Ciclo de Refrigeração em Cascata
Çengel - exercício 11.44
Ciclo de Refrigeração de Multiestágio
Çengel - exercício 11.45
Shapiro - exercício 10.30
Shapiro - exercício 10.31
Ciclo de Refrigeração por Absorção
Ciclo de Refrigeração por Absorção - Exercício
Assinale a afirmativa incorreta relativa ao ciclo de refrigeração por absorção de amônia.
(a) Para a solução de água + amônia contida no tanque de alta pressão (gerador) liberar
amônia para a fase gasosa é necessário promover o aquecimento desta.
(b) A compressão do fluido refrigerante ocorre na fase líquida, ou seja, o trabalho de
compressão deste ciclo é pequeno.
(c) O ciclo de refrigeração por absorção de amônia não tem vantagem em termos de
custo de energia, pois a energia economizada pelo compressor é gasta para aquecer
a solução de amônia no tanque de alta pressão (gerador).
(d) O fluido que passa pelo evaporador e pelo condensador é amônia.
(e) A principal desvantagem do ciclo de refrigeração por absorção de amônia é o seu
custo de aquisição e de manutenção, pois, este ciclo possui mais componentes que o
ciclo de refrigeração por compressão de vapor convencional.
Sumário
Motor de Carnot
Ciclo Rankine Ideal
Ciclo Rankine Com Superaquecimento
Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
Ciclo Rankine Com Regeneração
Cogeração
Ciclos Rankines Não Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
Bomba de Calor
Esquema de um Refrigerador
β =
Valor Útil
Valor Pago
β =
QL
W
=
QL
QH −QL
Esquema de uma Bomba de Calor
β′ =
Valor Útil
Valor Pago
β′ =
QH
W
=
QH
QH −QL
Refrigerador e Bomba de Calor de Carnot
Ciclo de Carnot
(QH)rev = TH(Sb − Sa)
(QL)rev = TL(Sb − Sa)
Wrev = (TH − TL)(Sb − Sa)
βC =
TL
TH − TL ≥ β
β′C =
TH
TH − TL ≥ β
′
Inverter: Refrigerador / Bomba de Calor
	Motor de Carnot
	Ciclo Rankine Ideal
	Ciclo Rankine Com Superaquecimento
	Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento
	Ciclo Rankine Com Regeneração
	Cogeração
	Ciclos Rankines Não Convencionais
	Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Convencionais
	Ciclos de Refrigeração Com Mudança de Fase Inovadores
	Bomba de Calor