Trabalho Ciclo Rankine Regenerativo e Reaquecimento - Máquinas Térmicas

Máquinas Térmicas Trabalho 2 bimestre Prof Antônio Salvador Neto Este documento se presta a organizar a atividade avaliativa do curso de máquinas térmicas 1 Organização Os alunos devem se organizar espontaneamente em grupos de duas a cinco para realizarem juntos o trabalho em cada uma de suas etapas Não serão permitidos trabalhos individuais 2 Entrega O trabalho deve ser entregue até o dia 27062022 por via eletrônica através do portal httpsavapmultivixedubrloginindexphp na Semana 19 A atividade está nomeada como Atividade Avaliativa Rankine a figura a seguir mostra como você irá encontrar o site para envio O trabalho final precisa atender os seguintes critérios Estar em formato pdf Ter os textos principais digitados Ter os textos claros e coerentes Ter capa contendo título e nome dos integrantes do grupo Ter as etapas descritas a seguir do trabalho separadas em capítulos Equações gráficos esquemas podem ser feitas a mão e anexado ao arquivo Preze por linguajar científico adequado 3 Atividade Nessa atividade vamos calcular uma usina de potência a vapor que opera em um ciclo Rankine regenerativo e com reaquecimento ideal com um aquecedor de água de alimentação fechado A figura a seguir ilustra essa planta Para essa atividade vamos escolher arbitrariamente a temperatura e pressão máxima da caldeira e a pressão de saída da turbina A partir dessas entradas iremos calcular os demais parâmetros de operação da planta Para auxiliar os cálculos está disponível em anexo uma tabela para ser preenchida com os valores conforme eles forem sendo determinados TH Turbina de alte TL Turbina de baixa Cond Condensadora Passo 1 Determinação arbitrária de valores Escolha arbitrariamente um valor para cada uma das grandezas apresentadas a seguir Grandeza Intervalo de valores Pressão máxima da caldeira 80 a 10 MPa Temperatura máxima da caldeira 450 a 510 C Pressão de saída da turbina 10 a 20 kPa Passo 2 Determinação de vários parâmetros do circuito de vapor A pressão e temperatura no estado 4 é a pressão máxima e temperatura máxima da caldeira A pressão no condensador é a pressão de saída da turbina de baixa TL bem como a pressão no estado 9 A pressão no estado 2 após a bomba é a pressão máxima na caldeira Passo 3 Determinação da pressão intermediária Chamamos de pressão intermediária a pressão com que é realizado o reaquecimento Determinamos essa pressão como sendo a que dado um resfriamento isoentrópico liga a linha de saturação com o ponto de superaquecimento à pressão máxima de saída da caldeira Para isso faça i determine a entropia no ponto 4 ii determine a pressão de líquido saturado que represente a mesma entropia do ponto 4 Passo 4 Determinação da demanda de energia do trocador de calor O estado 2 já está determinado O estado 3 deve ser de líquido saturado a pressão máxima da caldeira Determine a variação de entalpia específica desse processo Passo 5 Determinação do calor fornecido no trocador O estado termodinâmico 5 já está determinado Vamos assumir que o trocador de calor realiza sobre esse fluido que fornece o calor de reaquecimento um processo isobárico que entrega líquido saturado após a troca Calcule assim a variação da entalpia específica desse processo Passo 6 Determinação do fluxo mássico da sangria Chamemos de m a vazão mássica total do ciclo No processo de 2 para 3 flui essa quantidade de massa Já no processo de 5 para 8 flui uma quantidade ms do fluido de trabalho Determine ymsm em função de m pela hipótese de que todo calor removido do processo 58 é o calor do processo 23 O estado 9 após a válvula de expansão será considerado idêntico ao estado 10 para facilitar a análise Passo 7 Determinação do trabalho específico realizado pelas turbinas Sabendo que o processo nas turbinas é a expansão isoentrópica determine os estados termodinâmicos ainda não determinados e calcule o trabalho específico em cada uma das turbinas Passo 8 Determinação do calor rejeitado no condensador Sabendo que o condensador entrega água líquida à pressão de saída da caldeira calcule o calor específico rejeitado Passo 9 Determinação do trabalho líquido Calcule o trabalho líquido em função da massa m 4 Avaliação O trabalho terá valor máximo de 60 pontos e mínimo de zero pontos e será avaliado baseado em critérios Cada critério representa uma parcela dos pontos do trabalho A avaliação de cada critério pode conferir um valor igual ou inferior ao valor da parcela que ele representa Parte dos critérios de 2 a 6 são as citações às fontes as justificativas e a explicação encadeada de ideias do enunciado até a resposta Os critérios de avaliação serão os seguintes Critério Pontos 1 Realizou corretamente a etapa 1 05 2 Realizou corretamente a etapa 2 05 3 Realizou corretamente a etapa 3 05 4 Realizou corretamente a etapa 4 05 5 Realizou corretamente a etapa 5 05 6 Realizou corretamente a etapa 6 05 7 Realizou corretamente a etapa 7 1 8 Realizou corretamente a etapa 8 05 9 Realizou corretamente a etapa 9 1 10 Atendeu os critérios do item 2 05 Anexo I Tabela auxiliar Estado Pressão kPa Temperatura C Volume específico m³kg Entalpia Específica kJkg Entropia Específica kJkg K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Todas as propriedades termodinâmicas para a água foram retiradas das tabelas de saturação e vapor superaquecido tabelas A2 A3 e A4 do livro de Moran e Shapiro 7ª edição 1ª Etapa Determinação arbitrária dos valores Escolhendose inicialmente os valores de alguns parâmetros relativos a pontos do ciclo termodinâmico Pressão máxima da caldeira 9 MPa Temperatura máxima da caldeira 490C Pressão de saída da turbina 10 kPa 2ª Etapa Determinação de vários parâmetros do circuito de vapor Assumindo as relações existentes entre os parâmetros definidos anteriormente e os pontos pertencentes ao ciclo de vapor conseguese obter vários parâmetros relativos ao mesmo A pressão e temperatura no estado 4 é a pressão máxima e temperatura máxima da caldeira p4 9 MPa t4 490 C A pressão no condensador é a pressão de saída da turbina de baixa TL bem como a pressão no estado 9 p10 001 MPa A pressão no estado 2 após a bomba é a pressão máxima na caldeira p2 p1 p2 9 MPa 3ª Etapa Determinação da pressão intermediária Para encontrar a pressão intermediária determinase a entropia específica do ponto 4 Como p4 9 MPa e t4 490C a entropia específica será s4 66244 kJkgK Encontrando a pressão de vapor saturado x51 que representa a mesma entropia do ponto 4 Sabendo que p5 66244 kJkgK a pressão será p5 09 MPa 4ª Etapa Determinação da demanda de energia do trocador de calor Considerando que o fluido que entra na bomba é líquido saturado a p1 p10 001 MPa conseguese obter a entalpia e volume específicos desse ponto serão h1 19182 kJkg v1 1010210K3 m³kg Como a bomba é ideal a entalpia da saída da bomba pode ser calculada como h2 h1 Cv1 p2 Kp1 h2 19182 C1010210K3 9000 K10 h2 2009 kJkg Como o estado 3 é líquido saturado x3 0 com pressão igual da caldeira p3 9 MPa h3 13633 kJkg Assim o calor específico demandado pelo trocador de calor será h3 Kh2 13633 K2009 h3 Kh2 11624 kJkg 5ª Etapa Determinação do calor fornecido no trocador Sabendo a pressão e entropia específica do ponto 5 podese encontrar sua entalpia específica h5 27748 kJkg Assumindo que o trocador de calor realiza sobre esse fluido que fornece o calor de reaquecimento um processo isobárico que entrega líquido saturado após a troca p8 09 MPa e x8 0 h8 74285 kJkg A variação da entalpia específica desse processo será h5 Kh8 27748 K74285 h5 Kh8 203195 kJkg 6ª Etapa Determinação do fluxo mássico da sangria Equacionando um balanço de energia no trocador de calor para obter a fração da vazão mássica total que foi deslocada para aquecer o fluido que sai da bomba ym h5 Kh8 m h3 Kh2 y h3 Kh2 h5 Kh8 y 11624 203195 y 0572 7ª Etapa Determinação do trabalho específico realizado pelas turbinas Obtendo a entalpia específica do ponto 4 p4 9 MPa e t4 490C h4 33606 kJkg Cálculo do trabalho específico da turbina de alta Wh m h4 Kh5 33606 K27748 Wh m 5858 kJkg Considerando o estado 10 idêntico ao estado 9 como a válvula de expansão mantém a entalpia específica da entrada na saída temse que a entalpia específica do estado 10 será h10 h9 h8 74285 kJkg Como p10 001 MPa podese descobrir a entropia específica do estado 10 s10 23766 kJkgK Considerando que o processo na turbina de baixa é ideal a entropia do estado 6 é a mesma do estado 10 s6 s10 23766 kJkgK Com p6 09 MPa a entalpia específica será h6 86933 kJkg Cálculo do trabalho específico da turbina de baixa Wl m h6 Kh10 86933 K74285 Wl m 12648 kJkg 8ª Etapa Determinação do calor rejeitado no condensador Balanço de energia no condensador QconCmh1 1 Ky mh10 Cymh9 Qcon m h10 Kh1 74285 K19182 Qcon m 55103 kJkg 9ª Etapa Determinação do trabalho líquido O trabalho líquido será dado por Wliq WhCWbKWbomb Wliq m h4 Kh5 C 1 Ky m h6 Kh10 Km h2 Kh1 Wliq m5858 C 1 K0572 m12648 Km 2009 K19182 Wliq 630853m kW