Ciclos de Potência a Vapor - Ciclo Rankine com Reaquecimento

Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLOS DE POTENCIA A VAPOR PARTE II DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO Figura de um ciclo de reaquecimento de Rankine Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO COM REAQUECIMENTO Balanço de equações Equipamento EBM 𝑚1 𝑚2 𝑚 EBE 𝑚1ℎ2 𝑊𝑒𝑛𝑡 𝑚2ℎ2 EBEn 𝑚1𝑠1 𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚1𝑠2 EBEx 𝑚1𝑒𝑥1 𝑊𝑒𝑛𝑡 𝑚2𝑒𝑥2 𝐸𝑥𝑑 EBM 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 EBE 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 EBEn 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑎 EBEx 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 Processo 12 Compressão Isentrópica na bomba Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Balanço de equações Equipamento Processo 23 e 45 Adição de Calor EBM 𝑚2 𝑚3 𝑚 𝑚4 𝑚5 EBE 𝑚2ℎ2 𝑚4ℎ4 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚3ℎ3 𝑚5 ℎ5 EBEn 𝑚2𝑠2 𝑚4𝑠4 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑇𝐻 𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚3𝑠3 𝑚5𝑠5 EBEx 𝑚2𝑒𝑥2 𝑚4𝑒𝑥4 𝐸𝑥 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚3𝑒𝑥3 𝑚5𝑒𝑥5 𝐸𝑥𝑑 𝐸𝑥 𝑄𝑒𝑛𝑡 1 𝑇𝑜 𝑇𝐻 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝐻 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 CICLO COM REAQUECIMENTO Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Balanço de equações Equipamento Processo 3 4 Expansão Turbina 1 Turbina de Alta Pressão EBM 𝑚3 𝑚4 𝑚 𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 EBE 𝑚3ℎ3 𝑚4ℎ4 𝑊𝑠𝑎𝑖 EBEn 𝑚3𝑠3 𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚4𝑠4 EBEx 𝑚3𝑒𝑥3 𝑚4𝑒𝑥4 𝑊𝑠𝑎𝑖 𝐸𝑥𝑑 CICLO COM REAQUECIMENTO Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Balanço de equações Equipamento Processo 5 6 Expansão Turbina 2 Turbina de Baixa Pressão EBM 𝑚5 𝑚6 𝑚 𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 EBE 𝑚5ℎ5 𝑚6ℎ6 𝑊𝑠𝑎𝑖 EBEn 𝑚5𝑠5 𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚6𝑠6 EBEx 𝑚5𝑒𝑥5 𝑚6𝑒𝑥6 𝑊𝑠𝑎𝑖 𝐸𝑥𝑑 CICLO COM REAQUECIMENTO Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Balanço de equações Equipamento Processo 61 Rejeição de Calor EBM 𝑚6 𝑚1 𝑚 𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 EBE 𝑚6ℎ6 𝑚1ℎ1 𝑄𝑠𝑎𝑖 EBEn 𝑚6𝑠6 𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚1𝑠1 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑇𝐿 EBEx 𝑚6𝑒𝑥6 𝑚1𝑒𝑥1 𝐸𝑥 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝐸𝑥𝑑 𝐿 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑢𝑟𝑜 𝐸𝑥 𝑄𝑠𝑎𝑖 1 𝑇𝑜 𝑇𝐿 𝑄𝑠𝑎𝑖 CICLO COM REAQUECIMENTO Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO A quantidade de calor TOTAL fornecido por kg nos dois estágios 𝑞𝑟𝑒𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜 ℎ5 ℎ4 A quantidade de calor fornecido durante o reaquecimento 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 ℎ3 ℎ2 ℎ5 ℎ4 Na expansão isentrópica o trabalho total por kg de vapor na turbina será 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 ℎ3 ℎ4 ℎ5 ℎ6 O trabalho realizado pela bomba por kg de vapor será 𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ℎ2 ℎ1 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO O trabalho líquido por kg de vapor O calor rejeitado pelo condensador por kg de vapor será 𝑞𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 ℎ6 ℎ1 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑤𝑇 𝑤𝑏 𝑤𝑙𝑖𝑞 ℎ3 ℎ4 ℎ5 ℎ6 ℎ2 ℎ1 A eficiência do ciclo com reaquecimento 𝜂𝑟𝑒𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑞𝑒 1 𝑞𝑠 𝑞𝑒 ℎ6 ℎ1 ℎ3 ℎ2 ℎ5 ℎ4 𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝐸𝑥𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑞𝑒 𝑞𝑠 𝑞𝑒𝑛𝑡 1𝑇𝑜 𝑇𝐻 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Exemplo 2 Considere um ciclo com reaquecimento Rankine ideal como mostrado na Figura 2 que tem uma pressão da caldeira de 5000kPa os tubos de reaquecimento que entram pela caldeira estão sob pressão de 1200kPa e a pressão de operação do condensador é de 20kPa As turbinas são projetadas para produzir uma mistura com título de 096 em sua saída A temperatura do ambiente referência é 27 oC e a temperatura da fonte é 727 oC a Escreva as equações de balanço de massa energia entropia e exergia da caldeira com o reaquecimento b Encontre a temperatura de entrada da primeira e da segunda turbinas c Encontre as eficiências de energia e exergia do ciclo ideal de reaquecimento de Rankine Figura 2 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO RANKINE COM REGENERAÇÃO ABERTO Um aquecedor de água de alimentação aberto ou de contato direto é basicamente uma câmera de mistura onde o vapor extraído da turbina se mistura à agua de alimentação que sai da bomba 1 𝑦 ℎ5 𝑦ℎ2 ℎ6 Aplicando a equação da energia em regime permanente para achar a fração y no processo 26 ℎ5 𝑦ℎ5 𝑦ℎ2 ℎ6 Das equações anteriores obtemos ou 𝑦 ℎ6 ℎ5 ℎ2 ℎ5 O calor fornecido na caldeira por kg de vapor 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 ℎ1 ℎ7 O calor rejeitado no condensador por kg de vapor 𝑞𝑠𝑎𝑖 1 𝑦 ℎ3 ℎ4 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO RANKINE COM REGENERAÇÃO ABERTO O trabalho da turbina por kg de vapor 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 ℎ1 ℎ2 1 𝑦 ℎ2 ℎ3 O trabalho na bomba por kg de vapor 𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ℎ7 ℎ6 1 𝑦 ℎ5 ℎ4 O trabalho líquido por kg de vapor 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑤𝑇 𝑤𝑏 A eficiência do ciclo com regeneração 𝜂𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎çã𝑜 1 1 𝑦 ℎ3 ℎ4 ℎ1 ℎ7 𝜂𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑞𝑒 1 𝑞𝑠 𝑞𝑒 𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝐸𝑥𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑞𝑒 𝑞𝑠 𝑞𝑒𝑛𝑡 1𝑇𝑜 𝑇𝐻 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO RANKINE COM REGENERAÇÃO ABERTO Em um ciclo de regeneração a temperatura da água de alimentação que entra na caldeira a temperatura T7 é chamada de temperatura media calculada 𝑇𝑚 𝑅𝑒𝑔 𝑞𝑒 𝑠1 𝑠7 ℎ1 ℎ7 𝑠1 𝑠7 Em um ciclo SEM regeneração o ciclo opera como um ciclo Rankine entre as pressões p1 e p3 𝑇𝑚 𝑅𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒 𝑞𝑒 𝑠1 𝑠5 ℎ1 ℎ7 𝑠1 𝑠5 𝑇𝑚 𝑅𝑒𝑔 𝑇𝑚 𝑅𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio AQUECEDOR DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO FECHADO Outro tipo de aquecedor de água de alimentação muito usado em usinas a vapor é o aquecedor de água de alimentação fechado No qual o calor é transferido do vapor extraído da turbina para água de alimentação sem que ocorra qualquer processo de mistura Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio AQUECEDOR DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO FECHADO 𝑦ℎ2 ℎ5 ℎ6 𝑦ℎ7 Aplicando a equação da energia em regime permanente e fazendo balanço de massa e energia para achar a fração y no aquecedor fechado para 1 kg de vapor 𝑦 ℎ6 ℎ5 ℎ2 ℎ7 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio TIPOS DE AQUECEDORES DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO FECHADO Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio AQUECEDORES DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO MÚLTIPLOS Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio O QUE É COGERAÇÃO A Cogeração de Energia pode ser definida como um processo termodinâmico no qual ocorre a produção simultânea e sequencial de energia elétrica ou mecânica e energia térmica útil a partir de uma única fonte de energia SISTEMA DE COGERAÇÃO ENERGIA TÉRMICA Vapor Água quente Água gelada Gás quente Gás natural Óleo combustível Óleo diesel Carvão Bagaço de cana etc FONTE Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio COGERAÇÃO PARA AQUECIMENTO URBANOVAPOR Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio COGERAÇÃO PARA AQUECIMENTO URBANO VAPOR Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio COGERAÇÃO CICLO COMBINADO Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio INSTALAÇÕES DE POTENCIA COM GASEIFICAÇÃO INTEGRADA AO CICLO COMBINADO IGCC