ET Aula 03 - A - Efeitos da Pressão e Temperatura no Ciclo Rankine[1737]

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Universidade Paulista
Energia Térmica
Aula 03 – A – Efeitos da Temperatura e 
Pressão no Ciclo Rankine – 02.03.21
Curso Engenharia Mecânica
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Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 01/11)
1 – Pressão no Condensador
Na figura 1, é apresentado o efeito da redução da
pressão e da temperatura na qual o calor é rejeitado no
condensador.
Nesta condição o aumento do trabalho líquido é
representado pela área 1-4-4’-1’-2’-2-1.
O aumento do calor transferido ao fluido é
representado pela área a’-2’-2-a-a’.
Como essas duas áreas são aproximadamente iguais, o
resultado líquido é um aumento no rendimento do
ciclo.
A redução da pressão na seção de descarga provoca
também uma redução no título do fluido que deixa a
turbina. Isso é um fator significativo, pois ocorrerá
diminuição na eficiência da turbina e a erosão das
palhetas da turbina se tornará um problema muito sério
quando a umidade do fluido, nos estágios de baixa
pressão da turbina, exceder cerca de 10%.
Figura 1
𝜂𝑇 =
𝑞𝐻 − 𝑞𝐿
𝑞𝐻
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2 – Superaquecimento do Vapor
Na figura 2, é apresentado o efeito do
superaquecimento do vapor na caldeira.
O trabalho aumenta o correspondente à
área 3-3’-4’-4-3.
O aumento do calor transferido ao fluido
é representado pela área 3-3’-b’-b-3.
Como a relação entre estas duas áreas é
maior que a relação entre o trabalho líquido
e o calor fornecido no restante do ciclo,
então, para as pressões dadas, o
superaquecimento do vapor aumenta o
rendimento do ciclo Rankine.
Isso pode também ser explicado pelo
aumento da temperatura média na qual o
calor é fornecido ao vapor. Quando o vapor
é superaquecido, aumenta o título do
vapor na saída da turbina. Figura 2
Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 02/11)
𝜂𝑇 =
𝑞𝐻 − 𝑞𝐿
𝑞𝐻
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3 – Pressão Máxima do Vapor
Na figura 3, é apresentada a influência da pressão
máxima do vapor.
Nesta análise, a temperatura máxima do vapor, assim
como a pressão de saída, são mantidas constantes.
O calor rejeitado diminui o correspon-dente à área b’-
4’-4-b-b’.
O trabalho líquido aumenta o correspondente à área
rachurada simples e diminui o correspondente à área
rachurada duplamente. Portanto, o trabalho líquido tende
a permanecer o mesmo, mas o calor rejeitado diminui e,
portanto, o rendimento do ciclo Rankine aumenta com o
aumento da pressão máxima.
A temperatura média na qual o calor é fornecido também
aumenta com o aumento da pressão. Já o título do vapor
que deixa a turbina diminui quando a pressão máxima do
cíclo aumenta. Figura 3
Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 03/11)
𝜂𝑇 =
𝑞𝐻 − 𝑞𝐿
𝑞𝐻
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4 – Conclusões
O trabalho líquido e o rendimento de um ciclo
de Rankine podem ser aumentados pela
redução da pressão no condensador, pelo
aumento da pressão no fornecimento de calor
e pelo superaquecimento do vapor. O título do
vapor que deixa a turbina aumenta com o
superaquecimento do vapor e diminui pelo
rebaixamento da pressão no condensador e
pelo aumento da pressão no fornecimento de
calor. Estes efeitos são indicados na figura 4.
Figura 4
Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 04/11)
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Uma central de potência a vapor (água) operando num
ciclo Rankine apresenta pressão na caldeira igual a
3 MPa. As temperaturas máxima e mínima do ciclo são
iguais a 450oC e 45oC, respectivamente. Determine a
eficiência deste ciclo e aquela de um ciclo de Carnot
que opera entre reservatórios térmicos que apresentam
temperaturas iguais às máxima e mínima do ciclo
Rankine.
Exercício 1 – 11.17
5 – Exercícios
Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 05/11)
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Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 06/11)
Exercício 2
Considere um ciclo de Rankine ideal simples com condições na entrada da turbina fixas. Qual é o efeito de abaixar a
pressão no condensador sobre:
1) Trabalho da bomba;
2) Calor fornecido;
3) Calor rejeitado;
4) Eficiência do ciclo;
5) Umidade presente na saída da turbina.
5 – Exercícios
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Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 07/11)
Exercício 3
Considere um ciclo de Rankine ideal simples com pressões na caldeira e condensador fixas. Qual é o efeito do
superaquecimento do vapor para uma temperatura mais alta sobre:
1) Trabalho da bomba;
2) Calor fornecido;
3) Calor rejeitado;
4) Eficiência do ciclo;
5) Umidade presente na saída da turbina.
5 – Exercícios
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Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 08/11)
Exercício 4
Considere um ciclo de Rankine ideal com temperatura na entrada da turbina e pressão no condensador fixas. Qual é
o efeito de aumentar a pressãoa na caldeira sobre:
1) Trabalho da bomba;
2) Calor fornecido;
3) Calor rejeitado;
4) Eficiência do ciclo;
5) Umidade presente na saída da turbina.
5 – Exercícios
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Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 09/11)
Exercício 5
A entropia do vapor aumenta nas turbinas reais como resultado das irreversibilidades. Num esforço para se controlar
o aumento da entropia, é proposto o resfriamento do vapor na turbina por meio do fluxo de água em torno da
carcaça da turbina. Argumenta-se que isto reduzirá a entropia e a entalpia do vapor na saída da turbina e portanto, o
trabalho fornecido aumentará.
Como você avaliaria esta proposta?
5 – Exercícios
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Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 10/11)
Exercício 6
É possível manter uma pressão de 10 kPa num condensador que está sendo refrigerado com água do rio entrando
a 20oC?
5 – Exercícios
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Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., Editora Edgard Blucher, 2010.
Çengel, Y.A. e Boles, M.A., “Termodinâmica”, 5ª Ed., Editora McGraw-Hill, 2007.
Bibliografia
Efeitos da Temperatura e Pressão (slide 11/11)