Ciclos de Potência a Vapor - Termodinâmica II

Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLOS DE POTENCIA A VAPOR PARTE I DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 1 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio INTRODUÇÃO Os ciclos de energia termodinâmica podem ser categorizados como Ciclos de Potência a Gás e Ciclos de Potência a Vapor Neste capítulo vamos a estudar os ciclos de potência a vapor nos quais o fluido de trabalho é alternadamente vaporizado e condensado Vapor de água é o fluído de trabalho mais comum utilizado nos ciclos de potência a vapor pois tem várias caracteristicas desejáveis tais como baixo custo disponibilidade e alta entalpia de vaporização As usinas a vapor normalmente são classificadas como usinas a carvão usinas nucleares ou usinas a gás natural em referência ao tipo de combustível usado para fornecer calor ao vapor 2 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Usinas Termelétricas 3 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Usinas Nucleares 4 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio 5 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio A REAÇÃO DE FISSÃO LIBERA CALOR E NOVOS NEUTRONS PARA A CONTINUIDADE DA REAÇÃO 6 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio O Urânio é retirado das minas e processado para se obter os pelletes utilizados nas varetas de combustível O Urânio é encapsulado em pellets de cerâmica 7 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio 8 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Usinas Térmicas Solares 9 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Usinas Térmicas Solares 10 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Usinas Geotérmicas 11 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CLASSIFICAÇÃO DOS CICLOS DE POTÊNCIA Ciclos de Potência Sistemas fechados Sistemas Abertos ou Volume de controle Diesel Otto Dual Brayton Rankine Ciclo combinado Básico Regenerativo Reaquecimento e interresfriamnto Básico Reaquecimento 12 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO DE RANKINE CICLO IDEAL E REAL Processo Ciclo Ideal Ciclo Real Bomba Adiabática Compressão Isentrópico 12s Não Isentrópico 12 Isobárico Adição de Calor 2s3 Adição de Calor 23 Expansão Isentrópico 34s Não Isentrópico 34 Isobárico Rejeição de calor 4s1 Rejeição de Calor 41 13 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO DE RANKINE CICLO IDEAL O ciclo de Rankine é analisado aplicando a equação da energia para um regime estacionário e permanente Realizando um balaço de massa e energia a cada componente volume de controle do ciclo 𝑞 𝑤 ℎ 14 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO DE RANKINE CICLO IDEAL Balanço de equações Equipamento EBM ሶ𝑚1 ሶ𝑚2 ሶ𝑚 EBE ሶ𝑚1ℎ1 ሶ𝑊𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚2ℎ2 EBEn ሶ𝑚1𝑠1 ሶ𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 ሶ𝑚2𝑠2 EBEx ሶ𝑚1𝑒𝑥1 ሶ𝑊𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚2𝑒𝑥2 ሶ𝐸𝑥𝑑 EBM 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 EBE 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 EBEn 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑎 EBEx 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 ሶ𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 Processo 12 Compressão Isentrópica na bomba 15 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO DE RANKINE CICLO IDEAL Balanço de equações Equipamento Processo 23 Adição de Calor EBM ሶ𝑚2 ሶ𝑚3 ሶ𝑚 EBE ሶ𝑚2ℎ2 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚3ℎ3 EBEn ሶ𝑚2𝑠2 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑇𝐻 ሶ𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 ሶ𝑚3𝑠3 EBEx ሶ𝑚2𝑒𝑥2 ሶ𝐸𝑥 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚3𝑒𝑥3 ሶ𝐸𝑥𝑑 ሶ𝐸𝑥 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 1 𝑇𝑜 𝑇𝐻 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝐻 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 16 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO DE RANKINE CICLO IDEAL Balanço de equações Equipamento Processo 34 Expansão EBM ሶ𝑚3 ሶ𝑚4 ሶ𝑚 ሶ𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 EBE ሶ𝑚3ℎ3 ሶ𝑚4ℎ4 ሶ𝑊𝑠𝑎𝑖 EBEn ሶ𝑚3𝑠3 ሶ𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 ሶ𝑚4𝑠4 EBEx ሶ𝑚3𝑒𝑥3 ሶ𝑚4𝑒𝑥4 ሶ𝑊𝑠𝑎𝑖 ሶ𝐸𝑥𝑑 17 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio CICLO DE RANKINE CICLO IDEAL Balanço de equações Equipamento Processo 41 Rejeição de Calor EBM ሶ𝑚4 ሶ𝑚1 ሶ𝑚 ሶ𝐸𝑥𝑑 𝑇𝑜𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 EBE ሶ𝑚4ℎ4 ሶ𝑚1ℎ1 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 EBEn ሶ𝑚4𝑠4 ሶ𝑆𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 ሶ𝑚1𝑠1 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑇𝐿 EBEx ሶ𝑚4𝑒𝑥4 ሶ𝑚1𝑒𝑥1 ሶ𝐸𝑥 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 ሶ𝐸𝑥𝑑 𝐿 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎 𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜𝑢𝑟𝑜 ሶ𝐸𝑥 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 1 𝑇𝑜 𝑇𝐿 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 18 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Análise do Ciclo Rankine Realizando um balanço de energia expresso por unidade de massa Compressão Isentrópica em uma bomba q0 expresso por unidade de massa 𝑤𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ℎ2 ℎ1 Processo 1 2 Processo 2 3 Fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira w0 expresso por unidade de massa 𝑞𝑒 𝑞23 ℎ3 ℎ2 𝑞 𝑤 ℎ onde h1 é hf entalpia liquida no condensador a pressão p4 19 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Análise do Ciclo Rankine Expansão Isentrópica em uma turbina q0 expresso por unidade de massa 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 ℎ3 ℎ4 Processo 3 4 Processo 4 1 Rejeição de calor a pressão constante em um condensador w0 expresso por unidade de massa Achando a eficiência térmica do ciclo Rankine ideal 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑤𝑇 𝑤𝑏 𝜂𝑅𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒 𝑞𝑒 𝑞𝑠 𝑞𝑒 1 𝑞𝑠 𝑞𝑒 ℎ4 ℎ1 ℎ3 ℎ2 𝑤𝑙𝑖𝑞 ℎ3 ℎ4 𝑣𝑓𝑝2 𝑝1 𝑞𝑠 ℎ4 ℎ1 𝜂𝑅𝑎𝑛𝑘𝑖𝑛𝑒 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑞𝑒 𝑤𝑇 𝑤𝑏 𝑞𝑒 ℎ3 ℎ4 ℎ2 ℎ1 ℎ3 ℎ2 20 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio A Eficiência EXERGÉTICA do Ciclo Rankine 𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝐸𝑥𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑞𝑒 𝑞𝑠 𝑞𝑒𝑛𝑡 1𝑇𝑜 𝑇𝐻 𝜂𝑒𝑥𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑎 ሶ𝐸𝑥𝑒𝑛𝑡 ሶ𝐸𝑥𝑑 ሶ𝐸𝑥𝑄𝑒𝑛𝑡 1 ሶ𝐸𝑥𝑑 ሶ𝐸𝑥𝑄𝑒𝑛𝑡 21 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Operação do Ciclo Rankine Caldeira WT Condensador Bomba 2 3 4 1 M WB Turbina qentra qsai 22 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Parâmetros de Desempenho do Ciclo Rankine Taxa de Calor É a quantidade de calor ou energia adicionada por transferência de calor para produzir uma unidade de trabalho 1kWh Assim a taxa de calor que é inversamente proporcional a eficiência térmica apresenta as unidades de kJkWh 𝑇𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑞𝑒𝑘𝐽 𝑠 3600 𝑠 ℎ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑙í𝑞 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑘𝑊 3600 𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑘𝐽 𝑘𝑊ℎ Back Work Ratio bwr É a relação entre o trabalho de entrada na bomba e o trabalho desenvolvido pela turbina 𝑏𝑤𝑟 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑑𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑑𝑎 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑤𝑏 𝑤𝑇 Consumo específico de vapor ssc Relaciona a potência líquida de saída com a quantidade de vapor necessária de vapor para produzir esta potência É a quantidade de vapor necessário para produzir 1 kWh de energia 𝑠𝑠𝑐 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑚 𝑘𝑔ℎ 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎í𝑑𝑎 𝑒𝑚 𝑘𝑊 3600 𝑘𝐽𝑘𝑊ℎ 𝑤𝑙𝑖𝑞 𝑘𝐽 𝑘𝑔 23 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Principais perdas e irreversibilidades entre os ciclos Reais e Ideias O atrito no fluido causa irreversibilidades em quatro 04 componentes sendo estes 1 queda de pressão na caldeira 2 no condensador 3 na bomba e nas 4 tubulações 24 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Principais perdas e irreversibilidades entre os ciclos Reais e Ideias Perda nas tubulações Quando o fluido passa através dos tubos na caldeira e condensador a pressão cai devido a efeitos de atrito e transferência de calor com a vizinhança Com a queda da pressão e a transferência de calor a disponibilidade de vapor que entra na turbina também diminui Embora estes efeitos são muitas vezes desprezíveis Perda na Turbina 𝜂𝑇 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜 ℎ3 ℎ4𝑟 ℎ3 ℎ4𝑠 Perda na Bomba 𝜂𝐵 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 ℎ2𝑠 ℎ1 ℎ2𝑟 ℎ1 Perda no condensador Nos condensadores reais geralmente o líquido é subesfriado para evitar a ocorrência de cavitação ou seja a vaporização e a condensação rápidas do fluído no lado de baixa pressão do rotor da bomba que podem chegar a danificálo 25 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Como podemos aumentar a eficiência do ciclo Rankine 1 Reduzindo a pressão no condensador Figura 106 2 Superaquecimento do vapor Figura 107 3 Aumento da pressão na caldeira Figura 108 26 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Efeito das variáveis de operação no trabalho e na eficiência térmica no Ciclo Rankine Item Variável de operação Trabalho Eficiência 1 Reduzindo a pressão no condensador Aumenta Aumenta 2 Aumento da pressão na caldeira Sem efeito Aumenta 3 Superaquecimento do vapor Aumenta Aumenta 27 Termodinâmica II Prof Ricardo C Carpio Exemplo1 Em um ciclo de vapor Rankine conforme mostrado na Figura 1 a bomba comprime o fluido de trabalho para 5 MPa e o condensador opera a 75 kPa A entrada da temperatura na turbina e temperatura da fonte de calor são 500 oC O fluxo de massa fluido de trabalho é de 10 kgs a eficiência isentrópica da turbina é de 80 As perdas são consideradas insignificantes e a água após o condensador tornase um líquido saturado na temperatura de saturação a Escreva as equações de balanço de massa energia entropia e exergia b Calcule a taxa de calor de entrada na caldeira e a taxa de trabalho líquido c Calcule a taxa de geração de entropia e a taxa de destruição de exergia na caldeira d Calcule a eficiência energética e exergética do ciclo Figura 1 28