Análise do Ciclo Rankine em Usinas de Potência de Vapor

Ciclo Rankine Prof Me André Chiconi Rialto Usinas de Potência de Vapor Usinas de potência de vapor possuem a finalidade de gerar energia elétrica ou mecânica a partir da energia térmica dos gases Para o seu funcionamento é necessário uma fonte de calor introduzida no sistema Ciclo de Vapor Dividese então o estudo dessas usinas em partes A de interesse a principio será o ciclo térmico que realiza a conversão de energia térmica em trabalho A modelagem mais simples desse ciclo é o ciclo Rankine Ciclo Rankine O ciclo Rankine possui 4 equipamentos representativos e 4 estágios diferentes conforme mostrado na imagem a seguir Ciclo Rankine A análise desse ciclo é feita através da analise termodinâmica de cada um de seus componentes Utilizando o balanço de massa e energia para a turbina 0 𝑄𝑡 𝑊𝑡 𝑚 ℎ1 ℎ2 𝑉1 2 𝑉2 2 2 𝑔 𝑧1 𝑧2 Ciclo Rankine Considerando que não há desnível do fluido na turbina que a variação de energia cinética é desprezível e fazendo a turbina adiabática tem se 0 𝑊𝑡 𝑚 ℎ1 ℎ2 Ou 𝑊𝑡 𝑚 ℎ1 ℎ2 Ciclo Rankine Isso indica que o trabalho fornecido para turbina depende da vazão mássica de fluido que atravessa o equipamento e das diferenças de entalpia de entrada e saída 𝑊𝑡 𝑚 ℎ1 ℎ2 Wt Trabalho da turbina W 𝑚 vazão mássica de gás kgs h entalpia específica kJkg Ciclo Rankine A mesma analogia é feita para os outros equipamentos e de forma análoga chegase na expressão para cada um deles Ciclo Rankine Como o condensador não realiza trabalho apenas troca térmica tem se que o calor retirado no condensador é 𝑄𝑐𝑜𝑛 𝑚 ℎ2 ℎ3 Qcon Calor no condensador W 𝑚 vazão mássica de gás kgs h entalpia específica kJkg Ciclo Rankine A bomba também é adiabática então seu trabalho é 𝑊𝑏 𝑚 ℎ4 ℎ3 Wb Trabalho na bomba W 𝑚 vazão mássica de gás kgs h entalpia específica kJkg Ciclo Rankine Para a bomba em exclusivo temse que o trabalho pode ser dado pela relação do volume específico e da pressão sendo obtido por 𝑊𝑏 𝑚𝑣3 𝑝4 𝑝3 v volume específico m³kg p pressão Pa Ciclo Rankine Como o caldeira não realiza trabalho temse que o calor fornecido é 𝑄𝑐 𝑚 ℎ1 ℎ4 Qc Calor na caldeiraW 𝑚 vazão mássica de gás kgs h entalpia específica kJkg Ciclo Rankine A eficiência desse ciclo é dada pelo trabalho líquido total pelo calor fornecido ao ciclo Sendo assim η 𝑊𝑡 𝑊𝑏 𝑄𝑐 Ciclo Rankine Também é comum descrever o desempeno desse ciclo pela razão entre os trabalhos da bomba e da turbina sendo chamado de parâmetro Back Work Ratio bwr Sendo assim 𝑏𝑤𝑟 𝑊𝑏 𝑊𝑡 Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos Para conseguir definir os parâmetros de trabalho do ciclo é necessário obter os valores das entalpias nos 4 estados do ciclo Para isso será feita uma análise dos processo que ocorrem em cada etapa Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos 12 Turbina Ocorre uma expansão isentrópica de vapor saturado para uma mistura 23 Condensadora Retirase calor do sistema a pressão e temperatura constantes até atingir o ponto de liquido saturado Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos 34 Bomba Ocorre um compressão isentrópica chegandose num estado de liquido comprimido 41 Caldeira Injetase calor no sistema até o fluido de trabalho atingir novamente a pressão de entrada da turbina Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos 34 Bomba Ocorre um compressão isentrópica chegandose num estado de liquido comprimido 41 Caldeira Injetase calor no sistema até o fluido de trabalho atingir novamente a pressão de entrada da turbina Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos Exemplo 1 Considere que um ciclo ideal Rankine opera com vapor de água A caldeira trabalha com pressão de 80MPa A condensadora trabalha com pressão de 00075MPa O trabalho líquido total é de 1000MW Determine todas as características desse ciclo Trabalhos calores vazão mássica e rendimentos Determine também a vazão mássica de água de resfriamento do trocador de calor se a água entra a 150ºC e sai a 350ºC Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos Esse ciclo permite que haja um superaquecimento na caldeira antes da entrada do gás na turbina Esse processo é representado pelos estados 1 e 2 do diagrama 12 Turbina Ocorre uma expansão isentrópica de vapor saturado para uma mistura Ciclo Rankine Estados Termodinâmicos Exemplo 2 Considere que um ciclo ideal Rankine opera com vapor de água A caldeira trabalha com pressão de 80MPa A condensadora trabalha com pressão de 00075MPa Há um superaquecimento até 550ºC Considere a vazão mássica de 10396kgs Determine o trabalho líquido desse ciclo Determine todas as características desse ciclo Trabalhos calores vazão mássica e rendimentos Ciclo Rankine Real Se ao invés de considerarmos a turbina e a bomba isentrópicas considerarmos o caso real onde há variação de entropia o ciclo Rankine passa a ser representado pelo ciclo mostrado a seguir Ciclo Rankine Real A resolução do problema se dá realizando as mesmas análises que para o ciclo ideal levandose apenas em consideração a eficiência dos equipamentos Então 𝑊𝑡𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊𝑡η𝑡 E 𝑊𝑏𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑊𝑏η𝑡 Exemplo 3 Para os dados do exemplo 1 de um ciclo ideal considere que a turbina apresenta uma eficiência de 85 e a bomba de 82 Verifique as alterações feitas no ciclo Bibliografia MORAN MJ et al Princípios da Termodinâmica para Engenharia ed 7