Introdução aos Ciclos de Potência

111 INTRODUÇÃO AOS CICLOS DE POTÊNCIA Consideramos no Capítulo 7 as máquinas térmicas cíclicas que utilizavam quatro processos distintos Vimos também que é possível operar essas máquinas em regime permanente produzindo trabalho na forma de rotação de um eixo Figura 718 ou a partir de processos que envolvem movimento de um Pistão num cilindro Figura 719 No primeiro caso o fluido de trabalho pode apresentar mudanças de fase durante a execução do ciclo ou permanecer numa única fase Já no segundo caso o fluido de trabalho geralmente permanece na fase gasosa em todos os estados percorridos pelo ciclo Para um processo reversível em regime permanente com uma seção de entrada e uma saída a desprezando as variações de energia cinética e potencial o trabalho por unidade de massa envolvido no processo é dado pela Equação 915 ou seja w v dP O trabalho de movimento da fronteira por unidade de massa num processo reversível para um sistema que engloba uma substância simples compressível é dado pela Equação 43 w P dV As áreas relativas às duas integrais estão mostradas na Figura 111 É interessante notar que o trabalho representado pela primeira integral não envolve processos a pressão constante e que o trabalho repre Se o ciclo mostrado na Figura 112 fosse realizado num conjunto cilindropistão o trabalho seria realizado pelo movimento de fronteira Nesse caso o trabalho realizado pelo ciclo por unidade de massa pode ser calculado pela relação wliq P dv P dV P dV P dV Analisando novamente a Figura 112 notamos que as áreas relativas aos processos de expansão do estado 2 ao 3 e do estado 3 ao 4 são maiores que as áreas relativas aos processos de compressão do estado 4 ao 1 e do estado 1 ao 2 Assim é área líquida o trabalho líquido produzido pelo ciclo só positivo A área delimitada pelas linhas que representam os processos 12341 no diagrama Pv Figura 112 representa o trabalho líquido produzido nos dois casos analisados Note que o trabalho líquido fornecido pelos dois ciclos é o mesmo apesar de os trabalhos realizados nos processos serem diferentes Neste capítulo consideraremos o primeiro dos dois casos examinados acima que corresponde aos processos em regime permanente que produzem trabalho na forma de rotação de um eixo e que envolvem movimento de um pistão num cilindro Nas próximas seções consideraremos o ciclo Rankine que é o ciclo ideal Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase Algumas centrais de potência como a central simples a vapor dágua que já consideramos diversas vezes operam segundo um ciclo Isto é o fluido de trabalho sofre uma série de processos e finalmente retorna ao estado inicial Em outras centrais de potência tais como o motor de combustão interna e a turbina a gás o fluido de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico ainda que o equipamento opere segundo um ciclo mecânico Nesse caso o fluido de trabalho no fim do processo apresenta uma composição química diferente ou está num estado termodinâmico diferente do início do ciclo Dizse às vezes que tal equipamento opera segundo um ciclo aberto a palavra ciclo nesse contexto é realmente um termo incorreto embora a unidade motora a vapor opere segundo um ciclo fechado A mesma distinção entre ciclos abertos e fechados pode ser feita em relação aos aparelhos de refrigeração É interessante analisar o desempenho do ciclo fechado ideal Na análise do ciclo Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido ou diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo Rankine Devemos ressaltar que na análise dos ciclos ideais deste capítulo as variações de energias cinética e potencial de um ponto do ciclo a outro serão desprezadas Em geral isso é uma hipótese razoável para os ciclos reais É evidente que o rendimento térmico do ciclo Rankine é menor que aquele do ciclo de Carnot que opera com as mesmas temperaturas máxima e mínima do ciclo Rankine porque a temperatura média entre o 2 e 2 é menor que a temperatura durante a evaporação Análise Equação da energia qH h3 h2 Solução qH h3 h2 27995 1938 26057 kJkg Analisando a turbina temos Volume de controle Turbina Estado de entrada Estado 3 conhecido Estado de saída P4 conhecida Análise Equação da energia wT h3 h4 Equação da entropia s3 s4 Solução Podemos determinar o título no estado 4 a partir da entropia nesses estado Resumindo podemos dizer que o trabalho líquido e o rendimento de um ciclo Rankine podem ser aumentados pela redução da pressão no condensador pelo aumento da pressão no fornecimento de calor e pelo superaquecimento do vapor O título do vapor que deixa a turbina aumenta com o superaquecimento do vapor e diminui pela abaixamento da pressão no condensador e pelo aumento da pressão no fornecimento de calor Esses efeitos são mostrados nas Figuras 117 e 118 EXEMPLO 112 Num ciclo Rankine o vapor dágua deixa a caldeira e entra na turbina a 4 MPa e 400 C A pressão no condensador é igual a 10 kPa Determine o rendimento do ciclo Figura 1110 Diagrama Ts que mostra a relação entre os rendimentos dos ciclos de Carnot e Rankine Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase 325 Foi admitido na discussão do exemplo que o vapor de extração e a água de alimentação eram misturados num aquecedor de água de alimentação Outro tipo de aquecedor de água de alimentação muito utilizado conhecido como aquecedor de superfície é aquele em que o vapor e a água de alimentação não se misturam porém o calor é transferido do vapor extrair que condensa na parte externa dos tubos à água de alimentação que escoa no interior dos tubos A Figura 1113 mostra o esboço de um aquecedor de superfície Note que esse tipo de aquecedor de pressão do vapor pode ser diferente de pressão da água de alimentação O condensado pode ser bombeado para a tubulação de água de alimentação ou pode ser removido por meio de um purgador um aparelho que permite que o líquido e não o vapor escorra para uma região de pressão inferior para um aquecedor de baixa pressão ou para o condensador principal Considero o funcionamento de um aquecedor de superfície que opera sem a bomba de condensado indicado na Figura 1113 Podemos admitir que as tempe Vamos admitir que o fluido de trabalho se encontre na condiçãolimite como líquido saturado no estado 3 não queremos aquecêlo mais pois o fluido poderia entrar na região bifásica e a bomba 2 não opera convenientemente com uma mistura bifásica Nessa condição e considerando a pressão em que é realizada a extração a máxima fração de extração que pode ser utilizada é dada por y h3 h2 h6 h2 É um tanto difícil mostrar esse ciclo no diagrama Ts porque a massa de vapor que escapa pelos vários componentes não é a mesma Por esse motivo o diagrama Ts mostra simplesmente os estados do fluido nos vários pontos A área 15cab da Figura 1112 representa o calor transferido porquilo por unidade de trabalho O processo 71 é o processo de rejeição de calor mas como nem todo vapor passa pelo condensador a área 17ca1 representa o calor transferido porquilo que não escande Assim essa área não representa o calor transferido porquilo de fluido de trabalho que entra na turbina Note que entre os estados 6 e 7 somente uma parte do vapor gerado escapa pela turbina Para ilustrar os cálculos envolvidos no ciclo regenerativo apresentamos o seguinte exemplo Análise Equação da energia y h6 1 y h2 h3 Solução y 26856 1 y 1922 6047 y 01654 Podemos agora calcular o trabalho produzido pela turbina wt h6 h8 1 ywt 32136 26856 1 01654 26856 21441 9799 kJkg Para a bomba de alta pressão Volume de controle Bomba de alta pressão Estado de entrada Estado 3 conhecido Estado de saída P4 conhecida Análise Equação da energia wb02 h4 h3 Equação da entropia s4 s3 Note que o vapor extraído da turbina é encaminhado ao condensador e desse modo as vazões de fluido nos estados 2 e 5 são iguais m2 m5 A aplicação da equação de energia ao volume de controle escolhido fornece mh2 msh6 mh3 myh6a 116 Assim a fração de extração nesse tipo de aquecedor é dada por y h3 h2 h6 h6a 117 Os aquecedores de mistura para a água de alimentação têm a vantagem quando comparados com os aquecedores de superfície de apresentar menor custo e melhores características na transferência de calor Porém eles apresentam como desvantagem a necessidade de utilizar uma bomba para transportar o fluido de trabalho de um aquecedor de mistura para outro ou do aquecedor de mistura para a caldeira É normal utilizar vários estágios de extração nas centrais térmicas porém raramente são utilizados mais do que cinco estágios O número naturalmente é determinado por considerações econômicas É evidente que utilizando um grande número de estágios de extração e aquecedores de água de alimentação o rendimento do ciclo se aproxima daquele de ciclo regenerativo ideal da Figura 1111 em que a água de alimentação entra na caldeira como líquido saturado a pressão máxima Entretanto na prática isso não pode ser justificado economicamente porque a economia alcançada com o aumento do rendimentos não seria justificada pelo custo inicial dos equipamentos adicionais aquecedores de água de alimentação tubulação etc A Figura 1114 mostra um arranjo típico dos principais componentes de uma central de potência real Note que um dos aquecedores de água de alimentação é um aquecedor e deaerador de água de alimentação Esse equipamento tem duplo objetivo o de aquecimento e o de remoção de ar da água de alimentação A menos que o ar seja removido da água pode ocorrer corrosão excessiva na caldeira Note também que o condensado dos aquecedores a alta pressão escapa através de um purgador para um aquecedor intermediário o condensado do aquecedor intermediário é drenado para o aquecedor e deaerador e o condensado do aquecedor a baixa pressão é drenado para o condensador Muitas instalações reais de potência apresentam a combinação de um estágio de requecimento com várias etapas de extração Os fundamentos já considerados se aplicam facilmente a tal ciclo As perdas na turbina como descritas na Seção 95 representam o maior afastamento do desempenho do ciclo real em relação ao ciclo Rankine ideal O trabalho da turbina é o principal valor no numerador da expressão para o cálculo do rendimento térmico do ciclo e é diretamente influenciado pela eficiência isentrópica da turbina As perdas na turbina são principalmente aquelas associadas ao escoamento do fluido de trabalho pelos canais e palhetas da turbina A transferência de calor para o ambiente também representa uma perda mas de importância secundária O diagrama Ts indicado na Figura 1115 mostra os processos de expansão que ocorrem na turbina real e no ideal O ponto 4s do diagrama representa o estado após uma expansão isentrópica e o ponto 4 representa o estado real do vapor na saída da turbina Os sistemas de controle também podem provocar uma perda na turbina particularmente se for usado um processo de estrangulamento para controlar a turbina Perdas na Bomba As perdas na bomba são análogas àquelas da turbina e decorrem principalmente das irreversibilidades associadas ao escoamento do fluido A eficiência das bombas também foi discutida na Seção 95 e o diagrama Ts indicado na Figura 1115 mostra os processos que ocorrem numa bomba ideal e noutra real Observe que o estado final do processo de bombeamento isentrópico é representado pelo ponto 2s e que o estado final do processo real é representado pelo ponto 2 É importante lembrar que as perdas na bomba são muito menores que aquelas relativas à operação da turbina porque a potência utilizada no acionamento das bombas é muito menor que a potência produzida nas turbinas Uma central térmica a vapor opera segundo o ciclo indicado na Figura 1117 Sabendo que a eficiência da turbina é 86 e que a eficiência da bomba é 80 determine o rendimento térmico desse ciclo Do mesmo modo utilizado nos exemplos anteriores para cada volume de controle analisado o modelo termodinâmico é aquele associado às tabelas de vapor dágua e admitiremos que os processos conformem em regime permanente com variações desprezíveis de energias cinética e potencial O diagrama Ts desse ciclo está mostrado na Figura 1118 Volume de controle Turbina Estado de entrada P5 T5 conhecidas estado determinado Estado de saída P6 conhecida Análise Equação da energia wt h5 h6 Equação da entropia s6s s5 Para a bomba temos Volume de controle Bomba Estado de entrada P1 T1 conhecidas estado determinado Estado de saída P2 conhecida Análise Equação da energia wb h2 h1 Equação da entropia s2s s1 Como s2s s1 h2s h1 vP2 P1 Assim wb h2 h1 nh vP2 P1 Portanto wb vP2 P1 nb 00010095000 10 080 63 kJkg Portanto wliq wb 8941 63 8878 kJkg Finalmente para a caldeira Volume de controle Caldeira Estado de entrada P3 T3 conectadas estado determinado Estado de saída P4 T4 conhecidas estado determinado Análise Primeira lei qH h4 h3 32163 1718 30448 kJkg n térmico 8878 30448 292 O rendimento obtido para o ciclo Rankine análogo calculado no Exemplo 112 é 353 117 COGERAÇÃO Existem unidades industriais que utilizam um ciclo de potência a vapor para gerar eletricidade e o processo produtivo requer um suprimento de outra forma de energia na forma de vapor ou água quente Nesses casos é apropriado considerar a utilização do vapor expandido até uma pressão intermediária numa turbina de alta pressão do ciclo de potência como fonte de energia do processo produtivo Assim não será necessária a construção e utilização de uma segunda caldeira dedicadas unicamente ao processo produtivo Um arranjo dessa situação pode ser visto na Figura 1119 em que o vapor extraído a uma pressão intermediária da turbina é encaminhado para atender a uma necessidade específica de um processo especial na instalação Esse tipo de aplicação é denominado cogeração e a unidade industrial é projetada como um conjunto considerando conjuntamente o ciclo de potência com o processo produtivo é possível alcançar ganhos substanciais tanto no investimento inicial considerandose tanto os custos alocados aos equipamentos e implantação do empreendimento como nos custos operacionais Esse estudo deve ser feito por meio da consideração cuidadosa de todos os requisitos da operação da unidade industrial por exemplo vazões de água necessárias no processo e a potência elétrica a ser gerada e da otimização dos vários parâmetros envolvidos na operação da unidade 118 INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO Na seção 111 discutimos os ciclos de potência baseados em outro processos que ocorrem em regime permanente e os ciclos de potência que realizam trabalho a partir do movimento de um pistão num cilindro Analisamos também que é possível tanto operar um ciclo de potência em que o fluido de trabalho apresenta mudança de fase nos processos que compõem o ciclo como um em que o fluido de trabalho não exige essa mudança Considerando então um ciclo ideal para ótimos processos reversíveis ocorre em regime permanente Dos desses processos o resultado da transferência de calor e pressão contínua Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase 335 Fundamentos da Termodinâmica 336 Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase 337 os estágios para reduzir o trabalho de compressão e desse modo se aproximando de um processo de compressão isentrópica Finalmente a faixa de temperaturas pode ser tão ampla que dois ciclos de refrigeração diferentes devem ser utilizados com duas substâncias diferentes como fluidos de trabalho Essa configuração apresenta um ciclo acima do outro e normalmente é chamada de sistema de refrigeração em cascata mostrada na Figura 1125 Nesse sistema o evaporador do ciclo de alta temperatura absorve do ciclo de baixa temperatura o que requer uma diferença de temperatura entre os dois Esses dois componentes estão alocados em um mesmo trocador de calor e realizandose o balanço de energia sem transferências de calor externas estabelecese as vazões mássicas de refrigerante nos dois ciclos O efeito líquido dessa configuração é diminuir o trabalho de compressão e aumentar a capacidade de refrigeração comparandose com um ciclo simples Fluidos refrigerantes especiais para baixas temperaturas como o R23 ou hidrocarbonetos são utilizados porque apresentam propriedades termodinâmicas adequadas para o funcionamento nessas faixas de temperatura incluindo viscosidade e condutividade térmica FIGURA 1123 Sistema de refrigeração com compressão em dois estágios e dois circuitos de refrigeração O ciclo de refrigeração por absorção de amônia difere do ciclo por compressão de vapor na maneira pela qual a compressão é efetuada No ciclo de absorção o vapor de amônia a baixa pressão é absorvido pela água e a solução líquida é bombeada a uma pressão superior por uma bomba de líquido A Figura 1126 mostra um arranjo esquemático dos elementos essenciais desse ciclo O vapor de amônia a baixa pressão que deixa o evaporador entra no absorvedor onde é absorvido pela solução fraca de amônia Esse processo ocorre a uma temperatura levemente acima daquelas vizinhas e deve ser transferido calor das vizinhanças durante esse processo A solução forte de amônia é então bombeada através de um trocador de calor onde são mantidas altas temperaturas e pressão Sob essas condições o vapor de amônia se separa da solução em consequência da transferência de calor da fonte de alta temperatura O vapor de amônia vai para o condensador onde é condensado como no sistema de compressão de vapor e então se dirige para a válvula de expansão e para o evaporador A solução fraca de amônia retorna ao absorvedor através do trocador de calor A característica particular do sistema de absorção consiste em um consumo muito pequeno de trabalho porque o processo de bombeamento envolve um líquido Isso resulta do fato para um processo reversível em regime permanente e com variações desprezíveis de energias cinética e potencial o trabalho é igual a P dp e o volume específico do líquido é muito menor que o volume específico do vapor Por outro lado devese dispor de uma fonte térmica de temperatura relativamente alta 100 C a 200 C O número de equações envolvendo um sistema de absorção é maior que aquele de um sistema de compressão a vapor convencional e ele pode ser utilizados FIGURA 1126 Ciclo de refrigeração por absorção de amônia Após estudar o material deste capítulo você deve ser capaz de Aplicar as leis gerais a volumes de controle com diversos componentes formando um sistema completo Entender como centrais de potência funcionam Entender como refrigeradores e bombas de calor simples funcionam Reconhecer que nenhuma instalação opera baseada em um ciclo de Carnot Reconhecer que as instalações reais têm eficiências e coeficientes de desempenho mais baixos que as baseadas em ciclos ideais Reconhecer os parâmetros mais influentes para cada tipo de ciclo Reconhecer a importância da eficiência dos componentes para a eficiência geral do ciclo e seu β Reconhecer que muitos ciclos reais têm modificações em relação à configuração básica do ciclo Reconhecer que muitas destas instalações têm impacto ambiental CONCEITOS E EQUAÇÕES PRINCIPAIS Ciclo Rankine Aquecedor de água de alimentação de mistura Água de alimentação misturada com vapor de Extração e saída como líquido saturado Aquecedor de água de alimentação de superfície Aquecedor de água de alimentação de mistura operando a Patm para extrair gases Coergação Potência da turbina é cogarada com vapor necessário para determinada aplicação Problemas para Estudo Ciclos de Rankine Centrais de Potência Ciclos Simples 1113 Uma central de potência a vapor como a mostrada na Figura 113 opera num ciclo Rankine O vapor é descarregado da caldeira como vapor saturado a 3 MPa e o condensador opera a 10 kPa Determine o trabalho específico a transferência de calor em cada componente do ciclo ideal e a eficiência do ciclo 1114 Considere um ciclo Rankine ideal movido a energia solar que utiliza água como o fluido de trabalho Vapor saturado sai do coletor solar a 175 C e a pressão do condensador é de 10 kPa Determine o rendimento térmico desse ciclo 1115 Uma central de potência para uma base de uma expedição polar utiliza amônia como o fluido de trabalho que é aquecida a 80 C a 1000 kPa na caldeira enquanto o condensador é mantido a 15 C Determine o rendimento térmico dessa instalação 1116 Um ciclo Rankine que utiliza R410A como fluido de trabalho tem pressão e temperatura na caldeira de 30 MPa e 180 C O condensador do ciclo tem pressão de 800 kPa Determine o valor das quatro transferências de calor e o rendimento térmico do ciclo 1117 Uma central de potência a vapor operando num ciclo Rankine apresenta pressão na caldeira igual a 3 MPa As temperaturas máxima e mínima do ciclo são iguais a 450 C e 45 C respectivamente Determine a eficiência desse ciclo e a temperatura de saída de um ciclo de Carnot que opera entre reservatórios térmicos que apresentam temperaturas iguais à máxima e mínima do ciclo Rankine 1118 Uma central de potência a vapor apresenta pressão máxima igual a 3 MPa e temperatura de 60 C no condensador É utilizada uma turbina de condensação mas o título não pode ser menor que 90 em qualquer parte da turbina Determine o trabalho específico a transferência de calor em cada componente do ciclo ideal e a eficiência do ciclo 1119 Uma central de potência opera com R410A como fluido de trabalho com temperatura de 20 C no condensador e uma pressão máxima igual a 3 MPa com superaquecimento do vapor na saída da caldeira Determine a temperatura na saída da caldeirasuperaquecedor de forma que a temperatura na saída da turbina seja de 60 C e a eficiência global do ciclo 1120 Uma central de potência a vapor operando num ciclo Rankine apresenta pressão máxima igual a 5 MPa e mínima de 15 kPa Sabendo que o valor mínimo aceitável para o título do vapor na seção de descarga da turbina é 95 e que a potência gerada na turbina é igual a 75 MW determine a temperatura na seção de descarga da caldeira e a vazão mássica de água no ciclo 1121 Um suprimento de água quente geotérmica é utilizado como fonte energética num ciclo Rankine ideal O fluido de trabalho no ciclo é R134a e na seção de saída do gerador de vapor o fluido está no estado de vapor saturado a 85 C Sabendo que a temperatura no condensador é 40 C calcule o rendimento térmico desse ciclo 1122 Refaça o problema anterior admitindo que o fluido de trabalho do ciclo é R134a com temperatura e pressão na saída da caldeira iguais a 70 C e 4 MPa 1123 Refaça a Problema 1121 admitindo que o trabalho do ciclo seja de amônia 1124 Considerando o gerador de vapor caldeira descrito no Problema 1121 em que a água quente aquece o R134a até que ele se transforme em vapor saturado Admita que o gerador de vapor seja um trocador de calor concentrado A temperatura da água quente deve ser igual ou maior que a temperatura do R134a em qualquer posição do trocador de calor O ponto que apresenta a menor diferença entre as temperaturas da água e do fluido de trabalho é denominado ponto de pinça pinç point veja a Figura P1124 Determine a máxima potência produzida nesse ciclo quando a vazão e a temperatura da água quente disponibil forem iguais a 2 kgs e 95 C Dica divida o vc trocar de calor em dois de forma que o pinç point ocorra com ΔT 0 T 85 C apareça 1125 Refaça o problema anterior considerando que o fluido de trabalho é o refrigerante amônia 1126 Uma central de potência a carvão como fluido de trabalho apresenta temperatura de 10 C no condensador e pressão máxima igual a 6 MPa A temperatura máxima do ciclo é igual a 100 C Determine a eficiência desse ciclo e a temperatura de saída da turbina 1127 A Figura P1127 mostra um ciclo de potência Rankine que utiliza amônia como fluido de trabalho e que foi projetado para operar movido pela diferença de temperaturas existente na água dos oceanos Admitindo que a temperatura superficial da água seja igual a 25 C que a temperatura numa certa profundidade seja igual a 5 C e que a vazão de amônia no ciclo seja 1000 kgs determine a A potência desenvolvida na turbina e a consumida na bomba b A vazão mássica de água através de cada trocador de calor c O rendimento térmico desse ciclo 1128 Refaça o problema 1127 considerando que o fluido de trabalho é o dióxido de carbono 1129 A caldeira de uma pequena central de potência produz 25 kgs de vapor dágua a 3 MPa e 600 C A temperatura de operação do condensador é 45 C e o calor rejeitado no ciclo é transferido ao mar Sabendo que as temperaturas nas seções de alimentação e descarga de água do mar no condensador são iguais a 12 C e 15 C determine a potência líquida produzida no ciclo e a vazão de água do mar no condensador 1130 O ciclo de potência descrito no Problema 1136 é modificado pela instalação do um superaquecedor entre a caldeira e a turbina Após a instalação do equipamento a temperatura a pressão do vapor produzido passam a ser iguais a 400 C e 30 MPa Determine o trabalho específico e a transferência de calor em cada um dos componentes do ciclo ideal Calcule também a eficiência térmica do ciclo 1148 A caldeira utilizada num ciclo de potência a vapor de água descarregando a vapor a 2 MPa e 600 C A vazão mássica na caldeira é 60 kgs e o condensador do ciclo opera a 50 C O condensado é resfriado com água a 20 C proveniente de um rio O ciclo conta com um aquecedor de mistura e a pressão na extração da turbina é 600 kPa A água do ciclo é descarregada do aquecedor de mistura como líquido saturado Calcule a vazão mássica na seção de extração da turbina Determine a vazão mássica de água de refrigeração no condensador proveniente do rio sabendo que o máximo aumento de temperatura permissível dessa água é 5 C 1158 A turbina de um ciclo de potência é alimentada com vapor dágua a 5 MPa e 400 C A pressão na seção de descarga da turbina é 10 kPa A eficiência isotrópica dessa turbina é igual a 85 e a potência produzida na turbina é 20 MW Determine a vazão mássica de água no ciclo e a taxa de transferência de calor no condensador Qual é a eficiência térmica desse ciclo Comparea com a eficiência térmica de Carnot que opera entre as temperaturas máxima e mínima do ciclo 1170 Uma central de potência a vapor dágua apresenta pressão na entrada da turbina de 4 MPa e temperatura de 500 C Para que o condensador consiga rejeitar energia ele é mantido a 101 kPa Calcule a potência líquida produzida para uma taxa de transferência de calor na caldeira de 10 MW Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase 347 Fundamentos da Termodinâmica 348 Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase 349 350 Fundamentos da Termodinâmica 11105 Determine a disponibilidade de água nos quatro estados do ciclo Rankine descrito no Problema 1130 Admita que o reservatório a alta temperatura esteja a 500 C e o que de baixa estaja a 25 C Determine os fluxos de disponibilidade nos reservatórios por quilograma de vapor que escapa no ciclo e qual a eficiência do ciclo baseada na segunda lei da termodinâmica 11106 Seja as irreversibilidades externas devidas a transferências de calor com diferenças finitas de temperatura em uma central de potência forem desperdiçadas como você definiria sua eficiência baseada na segunda lei da termodinâmica 11107 Determine os fluxos de exergia no condensador descrito no Problema 1129 Utilize seus resultados para determinar a eficiência do trocador baseada na segunda lei da termodinâmica Considere T0 12 C 11108 Determine os fluxos de exergia no aquecedor de água descrito no Problema 1142 Considere T0 20 C 11109 A central de potência utilizando amônia descrita no Problema 1162 tem como fonte de calor um escoamento de água líquida entrando no trocador de calor a 120 C 300 kPa saindo a 90 C Determine a eficiência baseada na segunda lei da termodinâmica desse trocador de calor 11110 Considere o gerador de vaporsuperaquecedor em Problema 1152 Determine a destruição de exergia nesse componente do ciclo e sua eficiência global baseada na segunda lei da termodinâmica 351 Sistemas de Potência e Refrigeração com Mudança de Fase 11120 A Figura 1220 mostra o esquema de uma central de potência que emprega um ciclo binário que utiliza mercúrio para o ciclo a alta temperatura e água para o ciclo a baixa temperatura As pressões e temperaturas são mostradas no diagrama Ts correspondente Sabendo que a máxima temperatura no ciclo a vapor aquela na seção de descarga do superaquecedor ponto 4 é 500 C determine a A relação entre as vazões mássicas de mercúrio e de água no trocador de calor que condensa mercúrio e vaporiza água b O rendimento térmico desse ciclo ideal 11121 Um ciclo de potência a vapor deve operar com uma pressão máxima de 3 MPa pressão mínima de 10 kPa e temperatura na seção da saída da caldeira igual a 500 C A fonte quente disponível são 175 kgs de gases efluentes de uma turbina a gás que está a 600 C Se a caldeira opera como um trocador de calor contracorrente com diferença mínima de temperatura local igual a 20 C determine a vazão máxima de água no ciclo Rankine e a temperatura dos gases na seção de descarga do trocador de calor 352 Fundamentos da Termodinâmica 11127 Considere um ciclo ideal com reaquecimento como mostrado na Figura 119 O vapor dágua entra na turbina de alta pressão a 4 MPa e 450 C e expande até 10 kPa O vapor é então reaquecido até T5 e expande até 10 kPa na turbina de baixa pressão Determine o valor de T5 para que o título do vapor descarregado da turbina de baixa pressão seja igual a 095 Calcule nessa condição o rendimento térmico do ciclo e a potência líquida fornecida pelo ciclo sabendo que a vazão mássica de água no ciclo é igual a 20 kgs 11128 Um ciclo ideal de potência a vapor dágua com potência líquida de 10 MW foi projetado de modo a combinar os ciclos de reaquecimento e regenerativo O vapor entra na turbina de alta pressão a 8 MPa a 550 C e expande até a pressão de 06 MPa Nesse ponto do ciclo uma parte do vapor é desviada para um aquecedor de água de alimentação do tipo misturão e o restante da água é reaqueceida até 550 C O vapor reaquecido é então expandido na turbina a baixa pressão até 10 kPa a Determine a vazão mássica de vapor na turbina de alta pressão b Determine as potências dos motores necessários para acionar as bombas Problemas abertos projetos e aplicação de computadores 11134 Desejase estudar o efeito da variação de pressão na seção de saída da turbina sobre o desempenho de um ciclo Rankine que utiliza água como fluido de trabalho Utilizando como base os dados do Problema 130 calcule o rendimento térmico do ciclo e o título do vapor na seção de descarga da turbina para pressões de saída iguais a 5 10 50 e 100 kPa Faça também um gráfico do rendimento térmico em função da pressão de saída da turbina referente aos valores de pressão e temperatura de alimentação fornecidos no Problema 1130 11135 Desejase estudar o efeito da variação de pressão na seção de entrada na turbina sobre o dimínio do desempenho do ciclo e o título do vapor que deixa a turbina para as pressões de entrada iguais a 1 3 5 6 e 10 MPa Faça também um gráfico do rendimento térmico em função da pressão de entrada na turbina e da temperatura na seção de descarregamento da turbina 11136 Uma instalação térmica deve ser construída para fornecer água aquecida 90 C e 150 kPa a um sistema de aquecimento de um prédio A água deve circular em circuito fechado e retornar à instalação a 50 C e 100 kPa A potência térmica que deverá ser transferida no circuito de aquecimento é igual a 20 MW A água quente deverá ser obtida num ciclo de potência que apresenta temperatura e pressão na seção de saída da caldeira iguais a 600 C e 5 MPa O vapor gerado alimentará uma turbina que poderia apresentar uma extração de vapor intermediário O condensador irá operar a 90 C e também poderá transferir calor para o circuito de aquecimento Proponha uma instalação que cumpra esses requisitos e avalie seu comportamento em função da quantidade de trabalho que pode ser obtido na turbina 11137 Utilize o software de cálculo de propriedades para encontrar a energia específica do líquido de R134a Admitindo uma boa transferência de calor determine a geração de entrada e a irreversibilidade do processo 11138 Desejase estudar o efeito da variação da temperatura de operação sobre o coeficiente de desempenho de uma bomba de calor Considere um ciclo ideal que utiliza o R134 como fluido de trabalho e que apresenta temperatura no condensador igual a 65 C Determine a curva do coeficiente de desempenho utilizando o intervalo de 25 C a 15 C 11139 Para este problema necessita de 2 kgs de água a 200 C e 125 kPa para a esterilização de materiais e 15 kgs de água quente a 90 C e 110 kPa para o aquecimento de ambientes Esses insumos devem ser obtidos na central de potência a vapor do hospital Proponha algumas instalações que cumpram esses requisitos 11140 Determine qual é a máxima potência que pode ser obtida na central de potência descrito no Problema 1130 Utilize as condições operacionais fornecidas e admita que sejam utilizados como fonte de energia 100 kgs de produtos de combustão ar a 125 kPa e 1200 K Tome o cuidado para que a temperatura do ar seja sempre superior à da água em toda a extensão do trocador de calor caldeira 11141 O ciclo de potência a vapor escrito no Problema 11121 é alimentado pelos gases de exaustão de uma turbina a gás Com um único trocador de calor águaar a temperatura de saída dos gases é relativamente alta Faça uma análise da quantidade de energia que ainda pode ser retirada dos gases antes que estes escape para a chaminé Proponha uma instalação que recupere parte dessa energia É possível utilizar essa energia num préaquecedor de água 11142 O condensador do Problema 6103 utiliza como meio de resfriamento água de um lago que está a 20 C sendo que o máximo aumento de temperatura da água é necessária para a execução da operação Determine a vazão máxima de água de forma a garantir a necessidade de troca de calor que o sistema requer 11143 Utilize o software para resolver os seguintes problemas com R12 como fluido de trabalho a 1175 b 1177 c 1186 d 1195 11144 Utilize o software para resolver os seguintes problemas com R22 como fluido de trabalho a 1121 b 1125 c 1177 d 1192 Considere também os Problemas 10127 e 10128