Aula 1

Prévia do material em texto

25/02/2013
1
ENERGIA TÉRMICAENERGIA TÉRMICA
SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR
Uma meta importante em Engenharia Mecânica é 
conceber sistemas que efetuem tipos de conceber sistemas que efetuem tipos de 
conversão de energia desejados.
25/02/2013
2
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 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 no condensador (2) com uma 
pressão relativamente mais 
baixa. 
25/02/2013
3
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
TurbinaTurbina
Desprezando as TC para as vizinhanças, os balanços 
Aplicando balanço de massa e energia:
das taxas de massa e energia para um VC será
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
Condensador Ocorre a TC do vapor para a Condensador Ocorre a TC do vapor para a 
água de arrefecimento 
escoando em uma corrente 
separada. 
dO vapor se condensa e a 
temperatura da água de 
arrefecimento aumenta. 
25/02/2013
4
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
CondensadorCondensador
Em regime estacionário, os 
balanços das taxas de massa e 
de energia, para VC
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
Bomba Bomba 
O líquido condensado que deixa 
o condensador em 3 é bombeado 
do condensador para o interior 
da caldeira a uma pressão mais 
l d  elevada. 
25/02/2013
5
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
Bomba  Admitindo‐se um VC envolvendo Bomba 
a bomba e, admitindo‐se 
também que não ocorra troca de 
calor alguma com a vizinhança, 
os balanços das taxas de massa e 
energia fornecemenergia fornecem
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
Caldeira Caldeira 
O fluido de trabalho completa 
um ciclo quando o líquido que sai 
da bomba em 4, denominado 
água de alimentação da caldeira 
é d éé aquecido até a saturação e 
evaporado na caldeira. 
25/02/2013
6
Análise de Sistemas de Potência a 
Vapor (Ciclo de Rankine)
Caldeira  Tomando um volume de controle 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 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. 
25/02/2013
7
Parâmetros de desempenho
Eficiência Térmica
O trabalho líquido de saída é igual ao calor 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 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
25/02/2013
8
Parâmetros de desempenho
Razão de trabalho reversa
Parâmetro utilizado para descrever o 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 isentrópicosbomba seriam isentrópicos
Processo 1‐2: Expansão 
isentrópica do fluido 
através da turbina do 
estado 1 de vapor 
saturado até a pressão 
do condensador
25/02/2013
9
Ciclo de Rankine Ideal
Na ausência de irreversibilidades e troca de calor com 
as vizinhanças os processos através da turbina e da 
bomba seriam isentrópicosbomba seriam isentrópicos
Processo 2‐3: TC do 
fluido de trabalho a 
medida que ele escoa 
a pressão constante 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 isentrópicosbomba seriam isentrópicos
Processo 3‐4: 
Compressão 
i ó i    b b  isentrópica na bomba 
até o estado 4 na 
região de líquido 
comprimido
25/02/2013
10
Ciclo de Rankine Ideal
Na ausência de irreversibilidades e troca de calor com 
as vizinhanças os processos através da turbina e da 
bomba seriam isentrópicosbomba seriam isentrópicos
Processo 4‐1: 
Transferência de calor 
para o fluido de 
trabalho a medida que 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
25/02/2013
11
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 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
25/02/2013
12
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 pouco  à medida que o 
líquido escoa da 
entrada até a saída da 
bomba
25/02/2013
13
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
A eficiência térmica dos ciclos de potência tende a 
aumentar à medida que:
•Temperatura na qual a energia é adicionada
(CALDEIRA) aumenta
•Temperatura na qual a energia é descarregada
(CONDENSADOR) diminui.
25/02/2013
14
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
   d  que a do 
ciclo 
1‐2‐3‐4‐1
25/02/2013
15
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
25/02/2013
16
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
25/02/2013
17
Ciclo de Rankine Ideal
Efeitos das Pressões na Caldeira e no 
Condensador sobre o Ciclo de Rankine
Manter na prática a menor pressão de exaustão na 
saída da turbina é a razão primordialpara se incluir 
um condensador em uma instalação de potência a 
vapor. 
Ciclo de Rankine Ideal
Efeitos das Pressões na Caldeira e no 
Condensador sobre o Ciclo de Rankine
Água líquida na pressão atmosférica poderia ser 
levada à caldeira através de uma bomba e, o vapor 
de água poderia ser descarregado diretamente na 
atmosfera na saída da turbina. 
25/02/2013
18
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  P
turbina passa a ter uma região 
de          pressão 
resultando: 
WP< Patm 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 
fl id  d  t b lh   i bili d      d  á    fluido de trabalho, viabilizando o uso de água pura, 
que é menos corrosiva que a água de torneira
25/02/2013
19
Ciclo de Rankine Ideal
Irreversibilidades e perdas principais
As irreversibilidades e perdas estão associadas a p
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 associada à 
expansão através 
da turbina 
25/02/2013
20
Ciclo de Rankine Ideal
Irreversibilidades e perdas principais
Turbina
O calor transferido 
pela turbina às 
vizinhanças 
representa uma 
perda  mas como ele 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 
unidade
25/02/2013
21
Ciclo 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 
Wliq disponível na Wliq disponível na 
saída da instalação
25/02/2013
22
Ciclo de Rankine Ideal
Irreversibilidades e perdas principais
Bombas
O trabalho 
necessário à bomba 
para vencer os 
efeitos do atrito 
também 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 um aumento de 
entropia
25/02/2013
23
Ciclo de Rankine Ideal
Irreversibilidades e perdas principais
Bombas
processo 3‐4 :  
processo real 
processo 3‐4s: 
processo isentrópico processo isentrópico 
(ideal)
Ciclo de Rankine Ideal
Irreversibilidades e perdas principais
Bombas
eficiência 
isentrópica
25/02/2013
24
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
25/02/2013
25
Ciclo de Rankine Ideal
Irreversibilidades e perdas principais
Bombas
WB < < WT
as irreversibilidades 
têm um impacto 
muito menor muito menor no muito menor muito menor no 
trabalho líquido do 
ciclo do que as 
irreversibilidades na 
turbina
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 temperatura máxima de 400 C. Determine a 
eficiência máxima do ciclo. 
1) Vamos montar o gráfico do processo (lousa)
2) Extrair os dados a partir das Tabelas 
TermodinâmicasTermodinâmicas
3) Desenvolver os cálculos necessários para chegar a 
solução do problema