Aula 05: Ciclos de Potência a Vapor

Aula 05 Ciclos de potência a vapor Prof Marcelo Ferreira Ciclos de potência a vapor O fluido de trabalho é alternadamente vaporizado e condensado Vapor de água é o fluido mais utilizado pois apresenta Baixo custo Alta disponibilidade Alta entalpia de vaporização As usinas a vapor são classificadas conforme o tipo de combustível utilizado para fornecer calor ao vapor Carvão Gás natural Nucleares 1 Ciclos de Carnot a vapor O ciclo a vapor de Carnot é o ciclo mais eficiente que opera entre dois limites de temperatura Escoamento de um fluido em regime permanente dentro da região de saturação de uma substância pura Processo 12 fluido aquecido de forma reversível e isotérmica em uma caldeira Processo 23 expansão isoentrópica do fluido em uma turbina Processo 34 condensação do fluido de forma reversível e isotérmica em um condensador Processo 41 compressão isoentrópica do fluido através de um compressor até o estado inicial 1 Ciclos de Carnot a vapor O ciclo de Carnot não é o ideal para ciclos de vapor pois 1 Os processos 12 e 34 são processos limitados aos processos bifásicos o que limita a temperatura máxima a que processo pode ser submetido abaixo do ponto crítico da água 374 C com isso a elevação da eficiência térmica tornase limitada 2 O processo de expansão isoentrópica 23 pode ocorrer com baixas taxas de título ou seja altas taxas de umidade o que pode causar altas taxas de desgaste nas pás da turbina pois as colisões com gotas de líquido causam erosão é recomendado que nunca opere com título menor do que 90 3 A compressão isoentrópica 41 envolve a compressão de uma mistura líquidovapor até líquido saturado não é fácil conduzir o processo até exatamente a condição de líquido saturado e não é usual projetar um compressor que opere com um fluido em duas fases 1 Ciclos de Carnot a vapor Uma solução seria a seguinte modificação para o ciclo de Carnot Porém essa sugestão é inviável pois Teria que ocorrer a compressão isoentrópica em pressões extremamente elevadas processo 41 A transferência de calor a pressões variáveis 12 Portanto o ciclo de Carnot tornase inviável para ser aproximado em dispositivos reais e não é um modelo realista para ciclos de potência a vapor 2 Ciclo ideal de Rankine Ciclo utilizado para usinas de potência a vapor O ciclo ideal de Rankine não tem irreversibilidades e é formado por quatro etapas 12 compressão isoentrópica em uma bomba 23 fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira 34 expansão isoentrópica em uma turbina 41 rejeição de calor a pressão constante em um condensador 2 Ciclo ideal de Rankine A água entra na bomba no estado 1 e é comprimida isoentropicamente até a pressão operacional da caldeira ocorre uma pequena elevação na temperatura da água devido à redução de seu volume específico Na caldeira gerador de vapor a água entra como líquido comprimido estado 2 e então recebe calor a pressão constante até tornarse vapor superaquecido estado 3 A partir do estado 3 o vapor superaquecido entra na turbina expandese de forma isoentrópica e produz trabalho a pressão e a temperatura diminuem até o estado 4 na saída da turbina No estado 4 que normalmente encontrase como mistura líquidovapor de título elevado ocorre a entrada no condensador no qual ocorre condensação a pressão constante até a sair na condição de líquido saturado que coincide com o estado 1 e alimentar a bomba novamente Analisando o gráfico a área 23 representa o calor fornecido pela caldeira assim como a área 41 representa o calor rejeitado no condensador a diferença entre esses valores é o trabalho líquido produzido durante o ciclo 2 Ciclo ideal de Rankine Análise da energia no ciclo ideal de Rankine Todo o ciclo de Rankine ocorre em regime permanente e as variações de energia cinética e potencial podem ser desprezadas Dessa maneira se a equação da energia for aplicada em regime permanente por unidade de massa de vapor 𝑞𝑒𝑛𝑡 𝑞𝑠𝑎𝑖 𝑤𝑒𝑛𝑡 𝑤𝑠𝑎𝑖 ℎ𝑒𝑛𝑡 ℎ𝑠𝑎𝑖 Na caldeira e no condensador não existe trabalho envolvido e a bomba e a turbina podem ser consideradas isoentrópicas 2 Ciclo ideal de Rankine Análise da energia no ciclo ideal de Rankine Bomba 𝑞 0 𝒘𝒃𝒆𝒏𝒕 𝒉𝟐 𝒉𝟏 𝑜𝑢 𝒘𝒃𝒆𝒏𝒕 𝒗 𝑷𝟐 𝑷𝟏 Caldeira w 0 𝒒𝒆𝒏𝒕 𝒉𝟑 𝒉𝟐 Turbina q 0 𝒘𝒕𝒔𝒂𝒊 𝒉𝟒 𝒉𝟑 Condensador w 0 𝒒𝒔𝒂𝒊 𝒉𝟏 𝒉𝟒 2 Ciclo ideal de Rankine Análise da energia no ciclo ideal de Rankine A eficiência térmica do motor de Rankine é dada por 𝜼 𝒘𝒍𝒊𝒒 𝒒𝒆𝒏𝒕 𝟏 𝒒𝒔𝒂𝒊 𝒒𝒆𝒏𝒕 𝒘𝒍𝒊𝒒 𝒒𝒆𝒏𝒕 𝒒𝒔𝒂𝒊 𝒘𝒕𝒔𝒂𝒊 𝒘𝒃𝒆𝒏𝒕 3 Ciclo real de Rankine As irreversibilidades presentes nos componentes do ciclo de Rankine fazem com que ele seja um ciclo real As principais fontes de irreversibilidade são o atrito do fluido e as perdas de calor para a vizinhança O atrito no fluido causa queda de pressão na caldeira no condensador e nas tubulações dessa maneira o vapor sai da caldeira a uma pressão mais baixa e entra na turbina a uma pressão mais baixa ainda Para compensar essas quedas de pressão a bomba tem que elevar a pressão da água a valores mais altos do que seria em um ciclo ideal As perdas de calor ocorrem conforme o vapor escoa pelos diversos componentes para manter a mesma potência líquida produzida é preciso que a caldeira forneça mais calor o que faz a eficiência do ciclo diminuir 3 Ciclo real de Rankine Também ocorrem as irreversibilidades internas da bomba e da turbina fazendo com que a bomba tenha que consumir mais trabalho e a turbina produza menos trabalho Dessa maneira podem ser calculadas as eficiências isoentrópicas das bombas e das turbinas 𝜼𝒃 𝒘𝒔 𝒘𝒓 𝒉𝟐𝒔 𝒉𝟏 𝒉𝟐𝒓 𝒉𝟏 𝒆 𝜼𝒕 𝒘𝒓 𝒘𝒔 𝒉𝟒𝒓 𝒉𝟑 𝒉𝟒𝒊 𝒉𝟑 4 Formas para aumentar a eficiência do ciclo de Rankine A busca pelo aumento da eficiência térmica do ciclo de Rankine sempre passa por Aumentar a temperatura média na qual o calor é transferido para o fluido de trabalho na caldeira ou diminuir a temperatura média na qual o calor é rejeitado do fluido de trabalho no condensador Ou seja a temperatura média do fluido deve ser a mais alta possível durante o fornecimento de calor e a mais baixa possível durante a rejeição de calor 41 Redução da pressão no condensador O fluido que entra no condensador é vapor saturado na temperatura de saturação correspondente à pressão dentro do condensador A diminuição da pressão de operação do condensador diminui a temperatura do vapor e também diminui a temperatura em que o calor será rejeitado 41 Redução da pressão no condensador A área colorida no gráfico representa o aumento do trabalho líquido quando a pressão é reduzida de 𝑃4 para 𝑃4 Ocorre também um pequeno aumento no consumo de calor que pode ser observado pela área sob a curva 22 Dessa maneira o efeito resultante da redução da pressão é um aumento na eficiência térmica do ciclo A pressão pode ser reduzida até no máximo a pressão de saturação correspondente à temperatura do fluido de resfriamento A desvantagem da redução da pressão no condensador é a possibilidade da entrada de ar para dentro do condensador e aumentar a umidade do vapor nos estágios finais da turbina 42 Superaquecimento do vapor a temperaturas mais altas A temperatura do calor que é transferido ao vapor pode ser aumentada sem aumentar a pressão da caldeira pelo superaquecimento do vapor a altas temperaturas 42 Superaquecimento do vapor a temperaturas mais altas A área colorida representa o aumento do trabalho líquido A área total sob a curva 33 representa o aumento do fornecimento de calor Portanto com o superaquecimento do vapor a uma temperatura mais alta há um aumento na eficiência térmica porque a temperatura em que o calor é fornecido aumenta Além disso essa temperatura mais alta diminui o teor de umidade do vapor na saída da turbina A limitação da temperatura em que o vapor pode ser superaquecido reside em questões metalúrgicas ou seja na resistência térmica dos materiais em contato com esse vapor 43 Aumento da pressão na caldeira O aumento da pressão na caldeira também possibilita o aumento da temperatura do vapor pois automaticamente a temperatura de ponto de bolha é elevada o que eleva também a temperatura em que o calor é transferido para o vapor elevando a eficiência térmica do ciclo Para uma temperatura fixa na entrada da turbina o ciclo se desloca para a esquerda o que causa um aumento no conteúdo de umidade na saída da turbina o que não é recomendado