20200301221928-Seção 1 3 Melhoria de Desempenho do ciclo de Rankine

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Geração e distribuição de vapor
Unidade 1 | INTRODUÇÃO À GERAÇÃO DE POTÊNCIA
Seção 1.3 – Melhoria de Desempenho do ciclo de Rankine
Prof. M.Sc. Elias Ricardo Durango Padilla
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
 Compreender as principais características de um ciclo de geração de potência 
constituído pelo ciclo de Rankine, 
 Saber analisar suas perdas e irreversibilidades e determinar sua eficiência.
 Realizar a melhorias de desempenho do Ciclo de Potência a Vapor.
 Processo do estado 1 para 2: processo de expansão 
isentrópica na turbina.
 Processo do estado 2 para 3: processo de 
transferência de calor a pressão constante no 
condensador com formação de água saturada.
 Processo do estado 3 para 4: processo de 
compressão isentrópica na bomba (adiabática) até 
a pressão da caldeira.
 Processo do estado 4 para 1: processo de 
transferência de calor a pressão constante na 
caldeira. 
Ciclo de Rankine ideal
Ciclo de Rankine ideal
Irreversibilidades no ciclo de Rankine
 No ciclo de Rankine, as irreversibilidades atuam:
 Processos de 1 para 2 
 Processos de 3 para 4
processos que produzem e utilizam o trabalho não são
isentrópicos devido às forças dissipativas do sistema
• Nos ciclos reais, o comprimento da linha 3-4 é
mais acentuado devido à necessidade da
bomba fornecer energia suficiente para
vencer o atrito do escoamento.
• Quanto menor for a ineficiência da turbina,
maior será a inclinação da linha 1-2 (ou 1’-2’)
no sentido anti-horário.
Ciclo de Rankine com a presença de forças dissipativas
Reflita
 Forças dissipativas ocasionam
aumento na entropia do ciclo
(deslocamento do ponto 2 e 4
para a direita).
 eficiência do processo real pode
ser calculada utilizando as
entalpias correspondentes ao
ciclo 1-2-3-4-1.
Ciclo de Rankine com a presença de forças dissipativas
Exemplificando
 Considere a produção de potência por vapor a 8600 kPa e 500 oC ( h1= 3391,6
kJ/kg) em uma turbina cujo vapor de descarga (título de 80,47%) encontra-se
saturado a 10 kPa ( h2 = 2117,4 kJ/kg) (ℎ𝑙𝑖𝑞
𝑠𝑎𝑡= 191,8 kJ/kg e ℎ𝑣𝑎𝑝
𝑠𝑎𝑡 = 2584,8 kJ/kg ).
 O condensador produz líquido saturado na mesma pressão sendo, então,
bombeado novamente para a caldeira. Compare a eficiência do ciclo de Rankine
ideal com o real, considerando eficiência de 0,75 para a turbina e para a
bomba.
 Considere o trabalho da bomba igual a 8,7 kJ/kg e que a caldeira introduz
3191,1 kJ/kg de energia no processo ideal (adaptado de SMITH et al., 2011)
 O trabalho isentrópico produzido pela turbina (ciclo ideal)
Exemplificando
𝑊𝑡
ሶ𝑚
= ℎ1 − ℎ2 = 3391,6 − 2117,4 = 1274,2 𝑘𝐽/𝑘𝑔
𝑛 =
𝑊𝑙𝑖𝑞
𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
=
1274,2 − 8,7
3191,1
= 0,3965 (𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙)
 Para o ciclo Rankine com irreversibilidades, temos:
Exemplificando
𝑛 =
𝑊𝑙𝑖𝑞
𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙
=
𝑛𝑊𝑡 −
𝑊𝑏
𝑛
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙
=
0,75 ∗ 1274,2 −
8,7
0,75
3188,2
= 0,2961 (𝑟𝑒𝑎𝑙)
𝑛𝑡 =
𝑊𝑡
ሶ𝑚 𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑊𝑡
ሶ𝑚 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
=
ℎ1 − ℎ2
ℎ1 − ℎ2𝑠
𝑛𝑏 =
𝑊𝑏
ሶ𝑚 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙
𝑊𝑏
ሶ𝑚 𝑟𝑒𝑎𝑙
=
ℎ4𝑠 − ℎ3
ℎ4 − ℎ3
𝑄𝑟𝑒𝑎𝑙 = ℎ1 − (ℎ3+
𝑤𝑏
𝑛𝑏
) = 3391,6 − 191,8 + 11,6 = 3188,2 kJ/kg
Melhorias de desempenho 
 Podemos melhorar a eficiência tanto do ciclo Rankine quanto do ciclo ideal 
modificando as condições de operação da caldeira e do condensador. 
Maior pressão na caldeira
favorece a conversão de energia
na turbina e, dessa maneira,
melhorando a eficiência do
ciclo total.
Melhorias de desempenho 
 Podemos melhorar a eficiência tanto do ciclo Rankine quanto do ciclo ideal 
modificando as condições de operação da caldeira e do condensador. 
pressão fixa na caldeira
favorece a eficiência do ciclo de
Rankine
 As melhorias mais comuns encontradas nas usinas são a utilização dos ciclos 
por reaquecimento e por superaquecimento.
Melhorias de desempenho 
O ideal, a fim de melhorar o desempenho da turbina, consiste em
operar a turbina, cujo vapor de saída presenta título maior ou igual
a 90%.
Exemplificando
 Determine a nova eficiência
térmica do ciclo e a vazão
mássica de vapor produzida
pelo ciclo otimizado.
Nova eficiência térmica do ciclo
Exemplificando
 considerar que a entalpia e a entropia no estado 1 são, respectivamente, 
3246,1 kJ/kg e 6,5190 kJ/kg.K; 
 As entalpias e entropias de líquido e vapor saturado do estado 2 são, 
respectivamente, 697,22 kJ/kg, 2763,52 kJ/kg, 1,9922 kJ/kg.K e 6,7080 
kJ/kgK; 
 Para o vapor superaquecido no estado 3 a entalpia e entropia são, 
respectivamente, 3268,7 kJ/kg e 7,6350 kJ/kg.K;
 As entalpias e entropias de líquido e vapor saturado do estado 4 são, 
respectivamente, 173,88 kJ/kg, 2580,43 kJ/kg, 0,5926 kJ/kg. K e 8,2287 
kJ/kg.K; 
 O estado 5 é líquido saturado com entalpia igual a 173,88 kJ/kg; 
 E a entalpia na saída da bomba (estado 6) é igual a 181,94 kJ/kg.
Exemplificando
Exemplificando
Bons estudos! 
Prof. M.Sc. Elias Ricardo Durango Padilla