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© UNIP 2020 all rights reserved Universidade Paulista Energia Térmica Aula 1 Curso Engenharia Mecânica © UNIP 2020 all rights reserved Sistemas de Potência a Vapor Uma meta importante em Engenharia Mecânica é conceber sistemas que efetuem tipos de conversão de energia desejados. https://pixabay.com/photos/power-plant-coal-fired-power- plant-2153892/ https://pixabay.com/photos/architecture-industry-1639990/ https://pixabay.com/photos/power-plant-coal-fired-power-plant-2153892/ https://pixabay.com/photos/architecture-industry-1639990/ © UNIP 2020 all rights reserved Relembrando: O Ciclo de Carnot O ciclo de Carnot é um ciclo ideal que não consegue ser reproduzido na prática devido a problemas que causa nos equipamentos industriais. No ciclo de Carnot o ponto 3 (entrada da bomba) contém uma mistura líquido-vapor. Passagens 1→2: turbina 2→3: condensador 3→4: bomba 4→1: caldeira turbinabomba condensador caldeira © UNIP 2020 all rights reserved Relembrando: O Ciclo de Carnot turbinabomba condensador caldeira Para efetuar a compressão da mistura líquido-vapor que sai do condensador (ponto 3) na prática, seria necessário a separação das duas fases e a compressão do gás num compressor e a compressão do líquido por uma bomba hidráulica para depois juntar novamente estas duas fases na entrada da caldeira. Em termos econômicos essa solução seria inviável. Além disso, se gasta mais energia para comprimir um gás do que para pressurizar um líquido. Desta forma, é mais fácil condensar toda mistura líquido-vapor que sai da turbina e pressurizar o líquido. © UNIP 2020 all rights reserved O Ciclo de Rankine O ciclo de Rankine é uma modificação do ciclo de Carnot com a modificação de o ponto 3 estar no estado de líquido saturado. Ponto 3: deslocado para a linha de líquido saturado Ponto 4: estado da água que entra na caldeira © UNIP 2020 all rights reserved O Ciclo de Rankine Usina a vapor: empregada para geração de eletricidade, Motor a vapor: empregada para locomoção. Em ambos os casos, é a instalação típica para grande demanda energética. No caso de transporte, foi suplantada por motores mais eficientes e compactos, mas já foi muito comum em trens e navios. © UNIP 2020 all rights reserved Análise do Ciclo de Rankine © UNIP 2020 all rights reserved Análise do Ciclo de Rankine 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 pressão relativamente mais baixa. Aplicando balanço de massa e energia: Desprezando as TC para as vizinhanças, os balanços das taxas de massa e energia para um VC será: 0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 + 𝑣1 2 − 𝑣2 2 2 + 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 ) 𝑊𝑇 ሶ𝑚 = (ℎ1 − ℎ2) © UNIP 2020 all rights reserved Análise do Ciclo de Rankine Condensador Ocorre a TC do vapor para a água de arrefecimento escoando em uma corrente separada. O vapor se condensa e a temperatura da água de arrefecimento aumenta. Aplicando balanço de massa e energia: Em regime estacionário, os balanços das taxas de massa e de energia, para VC 0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 + 𝑣1 2 − 𝑣2 2 2 + 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 ) 𝑄𝑠𝑎í𝑑𝑎 ሶ𝑚 = (ℎ2 − ℎ3) © UNIP 2020 all rights reserved Análise do Ciclo de Rankine Bomba O líquido condensado que deixa o condensador em 3 é bombeado do condensador para o interior da caldeira a uma pressão mais elevada. Aplicando balanço de massa e energia: Admitindo-se um VC envolvendo a bomba e, admitindo-se também que não ocorra troca de calor alguma com a vizinhança, os balanços das taxas de massa e energia fornecem: 0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 + 𝑣1 2 − 𝑣2 2 2 + 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 ) 𝑊𝐵 ሶ𝑚 = (ℎ4 − ℎ3) © UNIP 2020 all rights reserved Análise do Ciclo de Rankine Caldeira O fluido de trabalho completa um ciclo quando o líquido que sai da bomba em 4, denominado água de alimentação da caldeira é aquecido até a saturação e evaporado na caldeira. Aplicando balanço de massa e energia: 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: 0 = 𝑄𝑇𝑣𝑐 −𝑊𝑇𝑣𝑐 + ሶ𝑚(ℎ1 − ℎ2 + 𝑣1 2 − 𝑣2 2 2 + 𝑔 𝑧1 − 𝑧2 ) 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 ሶ𝑚 = (ℎ1 − ℎ4) © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 1Exemplo Calcular o rendimento do ciclo de Rankine conhecendo-se a pressão da caldeira, P1=50 Kgf/cm 2, e a do condensador, P2=0,5 Kgf/cm2. Sabe-se que o vapor entra saturado na turbina e que a água que sai do condensador está saturada. © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 1Exemplo Solução: Vamos usar as tabelas termodinâmicas para a resolução desse problema. Ponto 1 – é vapor saturado à P1=50 Kgf/cm 2 Logo, da tabela: h1=2794,22 kJ/Kg e s1=5,9733 kJ/Kg.K Ponto 2 está a pressão P2=0,5 Kgf/cm 2 e como o ponto 1 e 2 são isentrópicos, isso quer dizer: s2=s1=5,9733 kJ/Kg.K Usaremos a equação s2=sL+x2(sv-sL) para determinamos o valor do título (x2). Da Tabela para a P2=0,5 Kgf/cm 2 extraímos os valores da entalpia e da entropia do líquido e do vapor saturado: sv=7,5939kJ/Kg.K, sL=1,09106 kJ/Kg.K, hL=340,47kJ/Kg e hV= 2645,87kJ/Kg. Agora calcularemos x2 © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 1Exemplo e depois calculamos o valor da entalpia no ponto 2 : ℎ2 = ℎ𝐿 + 𝑥2(ℎ𝑉 − ℎ𝐿) ℎ2 = 340,47 𝑘𝐽 𝐾𝑔 + 0,751(2645,87 − 340,47) 𝑘𝐽 𝐾𝑔 ℎ2 = 2071,83 𝑘𝐽 𝐾𝑔 © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 1Exemplo Ponto 3 é líquido saturado à pressão de P2=0,5 Kgf/cm 2, isso quer dizer: Ponto 4 A eficiência térmica agora pode ser calculada: © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 2Exemplo As usinas termelétricas geram eletricidade a partir de turbinas movidas a vapor. O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico ideal que pode ser utilizado para modelar, de forma simplificada, uma usina termelétrica. A figura abaixo mostra de forma esquemática os elementos básicos de um ciclo de Rankine simples ideal. Considerando que algumas usinas termelétricas que utilizam turbinas a vapor podem ser encontradas próximas a grandes reservatórios de água, como rios e lagos, analise as seguintes afirmações. © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 2Exemplo As usinas termelétricas geram eletricidade a partir de turbinas movidas a vapor. O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico ideal que pode ser utilizado para modelar, de forma simplificada, uma usina termelétrica. A figura abaixo mostra de forma esquemática os elementos básicos de um ciclo de Rankine simples ideal. Considerando que algumas usinas termelétricas que utilizam turbinas a vapor podem ser encontradas próximas a grandes reservatórios de água, como rios e lagos, analise as seguintes afirmações. I. O ciclo de Rankine simples mostrado na figura não prevê a reutilização da energia que é rejeitada no condensador e, por isso, tem um rendimento comparável ao de um ciclo de Carnot que opera entre as mesmas temperaturas ambiente. © UNIP 2020 all rights reserved Exemplo 2Exemplo II. Historicamente, a instalação de algumas usinas próximas a grandes rios se dá devido à necessidade de remover calor do ciclo, por intermédio da transferência de calor que ocorre no condensador, porém com implicações ao meio ambiente. III. Em usinas que utilizam combustíveis fósseis, o vapor gerado na caldeira é contaminado pelos gases da combustão e não é reaproveitado no ciclo, sendo mais econômico rejeitá-lo, causando impacto ambiental. IV. Entre as termelétricas, as usinas nucleares são as únicas que não causam impacto ambiental, exceto pela necessidade de se armazenar o lixo nuclear gerado. É correto apenas o que se afirma em (a) I (b) II (c) I e III (d) II e IV (e) II, III e IV © UNIP 2020 all rights reserved Exercícios Propostos Exercício 1 – Uma planta de potência a vapor opera em um ciclo Rankine com vapor saturadoa 3,0 MPa na saída da caldeira. A pressão de exaustão da turbina para o condensador é igual a 10 kPa. Calcule o trabalho específico na turbina. a) 845,8 kJ/kg b) 906,5 kJ/kg c) 876,8 kJ/kg d) 475,9 kJ/kg e) 965,4 kJ/kg Resposta: a © UNIP 2020 all rights reserved Exercícios Propostos Exercício 2 – Uma planta opera em um ciclo Rankine com a água na caldeira a 3,0 MPa e a maior e menor temperatura do ciclo sendo 450°C e 45°C, respectivamente. Calcule a eficiência da planta e a eficiência do ciclo de Carnot que opera entre os mesmos limites de temperatura. a) η=0,349; ηC=0,25. b) η=0,349; ηC=0,56. c) η=0,349; ηC=0,45. d) η=0,314; ηC=0,56. e) η=0,225; ηC=0,25. Resposta: b © UNIP 2020 all rights reserved Exercícios Propostos Exercício 3 – Utiliza-se vapor como fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine. O vapor saturado entra na turbina a 8,0 Mpa e o líquido saturado sai do condensador a uma pressão de 0,008 Mpa. A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW. Determine para o ciclo a vazão mássica de vapor, em kg/h. a) 2,77.105 kg/h b) 3,77.104 kg/h c) 3,05.105 kg/h d) 3,05.103 kg/h e) 3,77.105 kg/h Resposta: e © UNIP 2020 all rights reserved FIM !
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