Ciclo Rankine Orgânico ORC - Trabalho Acadêmico e Exercícios Resolvidos

Professora Márcia Milach Máquinas Térmicas Serra 2022 Obs A avaliação está dividida em 3 três trabalhos que deverão ser feitos com todos os integrantes do grupo Trabalhos com quaisquer níveis de plágio entre si ou da literatura internet etc terão nota ZERO atribuídos Só serão aceitas entregas via AVA trabalhos enviados por email terão nota ZERO atribuídos Grupos de no máximo 3 três alunos INFORMAÇÕES NECESSÁRIAS Atividade EM GRUPO Valor 100 pontos Grupos até 3 componentes Prazo de entrega 27062022 Forma de entregaAVA O presente trabalho consiste na explanação acerca do ciclo Rankine orgânico ORC Organic Rankine Cycle ciclo bastante similar aos ciclos de potência a vapor convencionais porém apresentando um fluido de trabalho diferente da água O objetivo do trabalho é explicar de modo similar a uma aula peculiaridades do ciclo Rankine orgânico tentando abranger o máximo de informações possíveis de serem agrupadas em pesquisas É possível encontrar materiais muito bons na Internet em Português e principalmente em Inglês Pensem no trabalho como algo que eu irei assistir e avaliar Então a nota será proporcional à qualidade do material entregue e das informações e explicações nele contidas A aula deve ter dentro do possível resolução de pelo menos 1 exercício que envolva ciclo Rankine orgânico podendo o ciclo em questão ser analisado de modo independente ou associado a outro ciclo Alguns fluidos orgânicos ex R134a possuem suas propriedades tabeladas no livrotexto utilizado na disciplina O trabalho escrito slides deve ser entregue em formato ppt ou pptx via Portal Acadêmico até a data estipulada Ciclo Rankine Orgânico 50 pontos CRIE um exercício envolvendo problemasolução do conteúdo especificado contextualizandoo a partir dos critérios obrigatórios a seguir 1 Todas as equações devem ser apresentadas passo a passo 2 Deverá conter no mínimo 2 duas interpolações 3 Os valores das propriedades das tabelas termodinâmicas deverão ser apresentados em uma figura marcando os propriedades utilizadas na resolução 4 Especifique todos os valores necessários no início da resolução Lembrese que a nota será de acordo com o grau de dificuldade da questão Turbina a gás 25 pontos O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um artigo com no mínimo 6 seis páginas que deverá ter obrigatoriamente Resumo Introdução Descrição de uma caldeira a vapor Aplicação Vantagens e desvantagens Conclusão e Referências Bibliográficas O objetivo do trabalho é explicar as peculiaridades das caldeiras a vapor abrangendo o máximo de informações possíveis de serem agrupadas em pesquisas É possível encontrar materiais muito bons na Internet em Português e principalmente em Inglês Apresente no mínimo 8 oito referências bibliográficas Caldeiras a vapor 25 pontos Aviso detalhei toda a questões 01 e 02 para ficar de fácil explicação para tu entender Se quiser posso te mandar um áudio caso não entenda de cada parte A questão 03 os materiais que encontro são bastante repetitivos para serem generalizados logo fiz tudo que podia e pedia Estou te encaminhando os arquivos em word porque não sei como você quer eles no slide e também não sei o nome do grupo e que tem q ser colocado como emblema da faculdade e tals no slide Qualquer coisa estou a disposição O vídeo anexado é so porque eu não conseguia adicionar sem o vídeo e estou sem voz para o mesmo e como você liberou se estivesse tudo bem explicado fiz o que solicitou Caldeiras a Vapor Resumo É um mecanismo programado afim de formar e acumular vapor a pressões superior da pressão atmosférica utilizando de qualquer fonte de energia As indústrias que têm caldeiras requerem ter documentos exigidos que estejam de acordo com a fiscalização do ministério do trabalho As empresas que não responderem aos requisitos estabelecidos estão sujeitas de multa Vale ressaltar a relevância contra acidentes com os colaboradores da indústria levando em conta que não são poucos os números de acidentes com estes equipamentos onde colaboradores foram mortos ou gravemente feridos através de explosões Diante de diversos acidentes que na maioria são fatais cumprir com as regras estabelecidas podem evitar grandes ônus para a empresa ou até mesmo o embargo do equipamento O objetivo deste estudo é realizar uma análise de forma sucinta como é realizado uma caldeira a vapor Introdução As caldeiras são usadas para gerar vapor ou aquecer fluidos quentes No caso de uma refinaria na prática a maior parte do vapor utilizado no processo é gerado na caldeira com uma pequena porcentagem no refervedor utilizando calor residual em alguns processos A energia de vaporização pode ser obtida pela queima de combustíveis sólidos líquidos ou gasosos ou pela conversão de eletricidade até mesmo a fissão nuclear como é o caso das usinas termonucleares Uma caldeira elétrica é um dispositivo de design muito simples que consiste basicamente em um vaso de pressão no qual a água é aquecida por eletrodos ou resistores Eles são fáceis de usar e automatizar A eficiência de conversão de energia elétrica em vapor sempre foi alta variando de 95 a 98 com casos especiais chegando a 995 Apenas caldeiras aquecidas por queima de combustível são introduzidas aqui A caldeira de vapor é um mecanismo essencial nas indústrias as quais a utilizam para diferentes funções como para limpeza esterilização aquecimento e participação direta no processo produtivo utilizados por exemplo em diversas indústrias restaurantes hotéis hospitais e frigoríficos O não funcionamento correto desse equipamento pode gerar falhas mecânicas ou humanas que logo podem vir a acarretar acidentes de trabalho irreparáveis ao responsável direto eou demais funcionários da empresa bem como consideráveis prejuízos financeiros ao estabelecimento Descrição de uma caldeira a vapor A caldeira é um trocador de calor que trabalhando com pressão superior à pressão atmosférica produz vapor a partir da energia térmica fornecida por uma fonte qualquer É constituída por diversos equipamentos integrados para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível e maior segurança BEUX 2014 p 13 Segundo a NR 13 Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica utilizando qualquer fonte de energia projetados conforme códigos pertinentes excetuandose refervedores e similares BRASIL 2018 Uma caldeira deve receber alimentação contínua de água Essa água deve ser aquecida por ação do calor resultante de um processo de combustão e se vaporizar O vapor produzido é continuamente distribuído para os processos industriais FILLIPO FILHO 2014 Uma bomba faz a alimentação da água da caldeira na pressão desejada A vaporização ocorre em um vaso de pressão uma espécie de tanque caldeiras flamotubulares ou em tubos caldeiras aquatubulares O vapor produzido é do tipo saturado uma vez que se tem uma mistura de água e vapor FILLIPO FILHO 2014 p 83 As caldeiras podem ser classificadas de acordo com as classes de pressão grau de automação tipo de energia empregada e tipo de troca térmica O motor a vapor revolucionou a indústria e os sistemas de transportes Hoje em dia o motor a vapor não é mais utilizado Em seu lugar são empregados os motores de combustão interna Atualmente a obtenção de trabalho mecânico a partir do vapor é feita com o uso de turbinas Uma das principais aplicações das turbinas a vapor é o acionamento de geradores elétricos em centrais termo elétricas Outras aplicações podem ser encontradas no acionamento de grandes bombas ventiladores e compressores FILLIPO FILHO 2014 A maior utilização do vapor envolve o aquecimento especialmente em processos industriais Enquanto o uso do vapor para aquecimento é de interesse geral sua aplicação em turbinas é de interesse muito restrito e especializado FILLIPO FILHO 2014 p 82 Atualmente o vapor de água é usado em grande escala e com inúmeras aplicações sendo indispensável em muitos processos industriais Sua preferência é justificada por possuir alto poder calorífico e pela ampla disponibilidade da água no meio industrial Os geradores de vapor atuais popularmente denominados caldeiras são definidos também como trocadores de calor BEUX 2014 Aplicações As aplicações são muitas sendo elas em industrias químicas petrolíferas barcos a vapor industrias de alimentos industrias farmacêuticas dependendo do ramo da aplicação Vantagens O custo de construção dessas caldeiras é baixo Esta caldeira usa qualquer tipo de chaminé Ocupa menos área útil É portátil Tem uma caldeira auto fechada Desvantagens O projeto da caldeira a vapor é vertical portanto a capacidade de subida do vapor é baixa Tem pressão e capacidade limitadas A limpeza e o exame deles são difíceis Requer alto headspace Conclusão O processo de geração de energia térmica para ser transferido através do vapor é algo bastante demandado por industrias no mundo e para isso são utilizados caldeiras a vapor O tratamento da água utilizada em caldeiras é sem dúvidas uma parte do processo de fundamental importância e bastante discutido em todo o mundo e que vem sendo constantemente aprimorado melhorado e atualizado com o surgimento de novas tecnologias e produtos mais eficientes A água bruta traz consigo contaminantes físicos químicos biológicos e radioativos que impactam diretamente na qualidade do vapor eficiência térmica durabilidade dos componentes integridade e segurança dos trabalhadores envolvidos e consequentemente temse alguns problemas na cadeira inviabilizando sua segurança e uso Esses impactos podem gerar perdas incalculáveis com paradas para manutenção corretivas reposição de peças e em casos mais extremos as vidas dos trabalhadores envolvidos além de multas processos e outras coisas para a empresa A cadeira a vapor é de extrema importância pela qualidade de vapor produzida e por ser um meio de utilização mais barato para uma indústria Referências Bibliográficas BEUX Giovana Avaliação das condições de segurança na operação de caldeiras a vapor 2014 Disponível em httprepositoriorocautfpredubrjspuibitstream158961PBCEESTV201417pdf Acesso em 26 junho de 2022 BLANCO LORENZO R Otimização do Controle da Pressão em Caldeira Industrial Universidade Paulista UNIP Santos p 62 2014 BORN HEATERS CANADA LTD Safety Controls and Burner Management Systems on DirectFired Multiple Burner Heaters Sl p 12 BRASIL Portaria N 1082 de 18 de dezembro de 2018 NR13 Caldeiras Vasos de pressão tubulações e tanques metálicos de armazenamento Brasília DF 18 dez 2018 Disponível em httpwwwingovbrmateria assetpublisherKujrw0TZC2Mbcontentid56127453do120181220portarian1082de18dedezembrode 201856127448 Acesso em 26 junho de 2022 FILIPPO FILHO Guilherme Máquinas térmicas estáticas e dinâmicas fundamentos de termodinâmica características operacionais e aplicações São Paulo Érica 2014 MARQUES F D A P Modelagem e Controle de Nível do Tubulão de Uma Caldeira de Vapor Aquatubular de Uma Refinaria de Petróleo Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro p 114 2005 NIKIEL J M Sistema de Instrumentação e Automação de Caldeira com Combustíveis Alternativos Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro p 101 2010 PALMA R A Uma Metodologia de Suporte a HardwareintheloopSimulation para Modelagem de umaCaldeira a Gás Universidade Federal do Paraná Curitiba p 88 2006 QUESTÃO 01 Ciclo de Rankine Orgânico Semelhante ao ciclo de Rankine convencional envolvendo os mesmos componentes a diferença está no fluido de trabalho que é orgânico como o R134a e não vapor de água É um processo promissor que converte energia termodinâmica a baixa e média temperatura em eletricidade Utilizado com e sem regenerador A grande maioria das empresas utiliza o ciclo com regenerador para aumentar a eficiência do mesmo Setores mais utilizados pelo ciclo de Rankine Orgânico 1 Turbinas a gás e motores alternativos 2 Indústria de cerâmica 3 Siderurgia saída dos altos fornos 4 Biomassa 5 Petroquímica 6 Mineração 7 Usinas termosolares e 8 Usinas geotérmicas Vantagens 1 Sem superaquecimento 2 Planta e manutenção mais simples 3 Níveis de pressão baixos 4 Não necessita de tratamento de fluido Desvantagens 1 Custo maior do fluido de trabalho em relação à água 2 Consumo mais alto da bomba 3 Pior estabilidade do fluido 4 Eficiência menor que o ciclo de Rankine a vapor Exercício de Aplicação Uma usina termelétrica utiliza um ciclo Rankine para funcionamento em períodos de estiagem Esta usina utiliza fluido R134a como fluido de trabalho O fluido entra na turbina do ciclo a 3 MPa e 90C e sai a uma temperatura de 30C para um condensador Este ciclo está representado abaixo com uma vazão mássica do ciclo é de 4 kgs e a eficiência isentrópica da bomba é de 80 Sabendo dessas condições determine a A potência da bomba b A taxa de calor que entra na caldeira c A potência da turbina d A taxa de calor que sai do condensador e A eficiência térmica do ciclo f A potência líquida do ciclo Resolução Analisando a figura podemos montar uma tabela contendo todas as informações e mediante ela podemos calcular todos os dados solicitados Estado PkPa TC hkJkg skJkg K x Tipo de Estado 01 771 30 24179 11437 0 Líquido Saturado 02 2000 24308 11437 Líquido Comprimido 03 3000 90 43619 16995 Vapor Superaquecido 04 771 30 41027 16995 09723 Mistura Estado 1 O líquido entra na bomba na forma de Líquido saturado Através da tabela termodinâmica procuramos o R134a e vamos para a pressão de 771 kPa que se encontra na temperatura de 30C Procuramos todos os dados referentes a ela Logo temos h1 24179 kgs s1 11437 kJkg K x1 0 Estado 2 A bomba é isentrópica logo sua entropia é igual tanto na entrada quanto na saída Analisando esse parâmetro percebemos que temos um estado de líquido comprimido A entalpia deste estado pode ser determinada através do trabalho da bomba Como temos a eficiência isentrópica da bomba o trabalho dela tem que ser dividido pela eficiência wb v1 P2 P1 ηb wb 0000843 2000 771 08 wb 129 kJkg Para determinarmos a entalpia do estado 2 fazemos um balanço de energia na bomba que resulta em wb h2 h1 h2 wb h1 h2 129 24179 h2 24308 kJkg Estado 3 Para determinarmos os dados deste estado basta consultarmos a tabela termodinâmica na região de vapor superaquecido que encontraremos todos eles h3 43619 kJkg s3 16995 kJKg K x3 não existe Estado 4 A turbina é isentrópica logo a entropia da entrada é igual à da saída Quando observamos este fato em relação aos dados que estão colocados percebemos que temos um estado de mistura já que a entropia está entre a entropia de líquido saturado e a entropia de vapor saturado Portanto vamos calcular o título para determinar a entalpia logo depois x4 s4 sl slv x4 16995 11437 05716 x4 09723 Determinado o título calculamos a entalpia h4 hl x4 hlv h4 24179 09723 17329 h4 41027 kJkg Preenchida a tabela começamos a determinar os dados solicitados Potência da Bomba Para determinarmos a potência da bomba multiplicamos o trabalho da bomba pela vazão mássica Wb wb m Wb 129 x 4 Wb 516 kW Taxa de calor que entra na caldeira Caldeira não possui trabalho logo sua potência é zero Através da primeira lei da termodinâmica aplicada a volume de controle temos que Qentra m h3 h2 Qentra 4 43619 24308 Qentra 77244 kW Potência da Turbina A turbina é adiabática logo sua taxa de calor é zero Aplicando novamente a primeira lei da termodinâmica aplicada a volume de controle temos que Wturbina m h3 h4 Wturbina 4 43619 41027 Wturbina 10368 kW Taxa de Calor do Condensador Condensador não possui trabalho logo não há potência Através da primeira lei da termodinâmica aplicada a volume de controle temos que Qsai m h4 h1 Qsai 4 41027 24179 Qsai 67392 kW Eficiência Do Ciclo Para determinarmos a eficiência do ciclo temos que η 1 Qsai Qentra η 1 67392 77244 η 01275 η 1275 Potência líquida do Ciclo Para determinarmos a potência líquida do ciclo basta diminuir a potência da turbina pela potência da bomba WL WTurbina WBomba WL 10368 516 WL 9852 kW QUESTÃO 02 Um ciclo Brayton com regeneração utiliza ar como fluido de trabalho em uma razão de pressão de 15 Inicialmente o ar entra no compressor com uma vazão volumétrica de 30 Ls a uma pressão de 2 bar e uma temperatura de 300 K com uma eficiência isentrópica de 85 A temperatura na entrada da turbina é de 2100 K e ela possui uma eficiência de 95 Sabendo que a eficiência do regenerador é de 90 determine a taxa de adição de calor no combustor a potência líquida do ciclo e a eficiência líquida do ciclo Cálculo da Vazão Mássica do Ciclo Como temos uma vazão volumétrica em Ls precisamos transformar ela para m³s Q1 30 L s m ³ 1000L 003 m³s Após a vazão transformada para a unidade correta convertemos essa vazão para a vazão mássica m1 Q1P1 R MMarT1 003200 8314 2897 300 000006969 kgs Estado 1 Através da tabela termodinâmica de ar na temperatura dada temos que P1 2 bar 200 kPa T1 300 K h1 30047 kJkg Pr1 11146 Estado 2 Pr2 P2P1 Pr1 Pr2 15 11146 Pr2 1671 Considerando a eficiência isentrópica do compressor precisamos achar o valor da entalpia e temperatura nessa eficiência Pr TK hkJkg 16598 640 64953 16719 T2s h2s 18600 660 67078 Interpolando na calculadora Cassio encontramos os seguintes valores T2s 64120 K e h2s 65081 kJkg Para encontramos a entalpia deste estado utilizaremos a eficiência isentrópica do compressor bem como os dados calculados com a eficiência ηC h2sh1 h2h1 h2 h1 h2s h1 ηC 30047 65081 30047 085 71263 kJkg Com esse dado de entalpia podemos determinar a temperatura do estado 2 através de uma interpolação na tabela termodinâmica de ar h kJkg TK 69212 680 71263 T2 71356 700 Interpolando na calculadora Cassio encontramos a temperatura do estado 2 T2 69913 K Estado 3 Utilizamos os dados de temperatura para encontrar na tabela de ar a temperatura T3 2100 K h3 237682 kJkg Pr3 20521 Estado 4 Pr4 P4P3 Pr3 Pr4 115 20521 Pr4 13680 Considerando a eficiência isentrópica da turbina precisamos achar o valor da entalpia e temperatura nessa eficiência Pr TK hkJkg 1342 5 1100 116118 1368 0 T4s h4s 1607 3 1150 121930 Interpolando na calculadora Cassio encontramos os seguintes valores T4s 110481 K e h4s 116677 kJkg Para encontramos a entalpia deste estado utilizaremos a eficiência isentrópica da turbina bem como os dados calculados com a eficiência ηT h3h4 h3h4s h4 h3 ηT h3 h4s 237682 095 237682 116677 119727 kJkg Com esse dado de entalpia podemos determinar a temperatura do estado 2 através de uma interpolação na tabela termodinâmica de ar h kJkg TK 116118 1100 119727 T4 121930 1150 Interpolando na calculadora Cassio encontramos a temperatura do estado 2 T4 113104 K Estado 5 Como temos a eficiência do regenerador conseguimos calcular a entalpia deste estado a partir da eficiência do regenerador ηR h5h2 h4h2 h5 ηR h4 h2 h2 09 119727 71263 71263 114880 kJkg Estado 6 Como temos a eficiência do regenerador conseguimos calcular a entalpia deste estado a partir da eficiência do regenerador h6 h2 h5 h4 h6 71263 114880 119727 h6 76110 kJkg Organizando os dados encontrados em uma tabela para melhor se localizar podemos calcular os dados solicitados pelo problema Estado TK hkJkg 01 300 30047 02 69913 71263 03 2100 237682 04 11310 4 119727 05 114880 06 76110 Com os dados organizados e aplicando a primeira lei da termodinâmica aplicada a volume de controle nos equipamentos solicitados temos que Taxa de adição de calor no combustor Q m h3 h5 Q 000006969 237682 114880 Q 008558 kW Potência Líquida WL m h3 h4 h2 h1 WL 000006969 237682 119727 71263 30047 WL 005347 kW Eficiência do Ciclo ηTregenerador 1 T1T3 r p k1k ηTregenerador 1 3002100 15 1 41 14 ηTregenerador 04264 ηTregenerador 4264