Ciclos de Potência: Ciclo Rankine e Exemplos Práticos

CAPÍTULO 5 CICLOS DE POTÊNCIA CICLO RANKINE E OUTROS Cap11Sonntag 7ªed ou Cap9 Sonntag 9ªed Instalação motora a vapor simples que opera num ciclo Rankine 𝑄ሶ 𝑐𝑎𝑙𝑑𝑒𝑖𝑟𝑎 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎 𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑄ሶ 𝑐𝑜𝑛𝑑 T Modelo ideal para uma unidade motora simples a vapor CARNOT TH T TL s 1 L T H TMH TML H 1 TML RANKINE TMH TMH Como TMH TH e TML TL p3 p3p3 TH RANKINE CARNOT TMH TML TL Ciclo de Carnot TML temperatura média em que o calor é rejeitado TMH temperatura média em que o calor é absorvido Instalação motora a vapor simples que opera num ciclo Rankine Exemplo 1 Determine o rendimento de um ciclo Rankine que utiliza água como fluido de trabalho A pressão no condensador do ciclo é igual a 10 kPa e a caldeira opera a 2 MPa O vapor deixa a caldeira como vapor saturado Na solução dos problemas sobre o ciclo Rankine é indicado por wt o trabalho produzido pela turbina por kg de água wb o trabalho necessário à bomba por kg de água qH o calor absorvido na caldeira por kg de água e qL o calor rejeitado pelo condensador por kg de água termodinâmicas Na solução desse exemplo é considerado volumes de controle em torno da bomba da caldeira da turbina e do condensador Em cada caso o modelo termodinâmico adotado é aquele associado às tabelas da água sendo o processo em RP com variações de energia cinética e potencial desprezíveis Exemplo 1 Fluído de trabalho água qH 26057 kJkg 𝑄ሶ𝐻 h3 27995 kJkg P3 2000 kPa Vapor saturado 𝑊𝑡 Wt 7920 kJkg P2 2000 kPa h2 1938 kJkg P4 10 kPa h4 20075 kJkg 𝑄ሶ𝐿 W𝑏 2 𝑘𝐽𝑘𝑔 𝑊𝑏 qL 18157 kJkg P1 10 kPa Líquido saturado Elabore a seguinte tabela Ex wT kJkg wB kJkg wliq kJkg xsTV qH kJkg qL kJkg qliq kJkg 1 2 3 4 5 Ex wT kJkg wB kJkg wliq kJkg xsTV qH kJkg qL kJkg qliq kJkg 1 7920 20 7900 07588 26057 18157 7900 303 2 3 4 5 20 kJkg Volume de controle Bomba 𝑠 𝑠𝑙 𝑥 𝑠𝑙𝑣 𝜼𝑹𝒂𝒏𝒌𝒊𝒏𝒆 𝟏 𝑻 𝑻𝑴𝑳 𝑴𝑯 Efeito da pressão de descarga da turbina sobre o rendimento do ciclo Rankine TMH TMH TML TL Caldeira Aumento do Wliq Condensador x4 x4 Bomba Turbina Efeito da pressão na caldeira sobre o rendimento do ciclo Rankine TMH TMH Caldeira TML TL Condensador Aumento do Wliq Aumento ou diminuição do Wliq Bomba Turbina Efeito da pressão e da temperatura no trabalho do ciclo Rankine Aumento da pressão na caldeira pcaldeira Aumento de temperatura na caldeira pexaustão Redução da pressão na saída da TV Efeito da pressão e da temperatura na eficiência do ciclo Rankine Caldeira pcaldeira pexaustão Condensador Máx T Bomba Turbina Exemplo 2 Num ciclo Rankine o vapor dágua deixa a caldeira e entra na turbina a 4 MPa e 400 ºC A pressão no condensador é igual a 10 kPa Determine o rendimento do ciclo Mais combustível é queimado Mais calor é rejeitado Ex wT kJkg wB kJkg wliq kJkg xsTV qH kJkg qL kJkg qliq kJkg 1 7920 20 7900 07588 26057 18157 7900 303 2 10695 40 10655 08159 30178 19523 10655 353 3 4 Mais trabalho é produ zido Aumento da eficiência 5 Aumenta a qualidade do vapor Exemplo 2 Fluído de trabalho água qH 30178 kJkg 𝑄ሶ𝐻 T3 400 C P3 4000 kPa Vapor superaquecido 𝑊𝑡 Wt 10695 kJkg P2 4000 kPa h2 1958 kJkg P4 10 kPa h4 21441 kJkg 𝑄ሶ𝐿 𝑊𝑏 W𝑏 4 𝑘𝐽𝑘𝑔 qL 19523 kJkg P1 10 kPa Líquido saturado Caldeira TV alta TV baixa Ciclo Ideal com Reaquecimento Caldeira Bomba Condensador Caldeira Condensador O ciclo ideal com reaquecimento foi desenvolvido para tirar vantagem do aumento do rendimento provocado pela utilização de pressões mais altas e evitar que a umidade seja excessive nos estágio de baixa pressão da turbina Bomba Turbina Exemplo 3 Considere um ciclo com reaquecimento que utiliza água como fluido de trabalho O vapor deixa a caldeira e entra na turbina a 4 MPa e 400 ºC O vapor expande até 400 kPa na turbina de alta pressão é reaquecido na caldeira até 400 ºC e então expande novamente na turbina de baixa pressão até 10 kPa Determine o rendimento do ciclo Ex wT kJkg wB kJkg wliq kJkg xsTV qH kJkg qL kJkg qliq kJkg 1 7920 20 7900 07588 26057 18157 7900 303 2 10695 40 10655 08159 30178 19523 10655 353 3 12971 40 12931 09664 36056 23125 12931 359 4 5 Ciclo Regenerativo Ideal prevê o aquecimento da água de alimentação da caldeira Ciclo regenerativo com aquecedor de água de alimentação de mistura Ciclo regenerativo real Exemplo 4 Considere um ciclo regenerativo que utiliza água como fluido de trabalho O vapor deixa a caldeira e entra na turbina a 4 MPa e 400 ºC Após a expansão até 400 kPa parte do vapor é extraída da turbina para aquecer a água de alimentação num aquecedor de mistura A pressão no aquecedor da água de alimentação é igual a 400 kPa e a água na seção de saída do aquecedor está no estado de líquido saturado a 400 kPa O vapor não extraído é expandido na turbina até a pressão de 10 kPa Determine o rendimento do ciclo Uso de TC de contato direto Ex wT kJkg wB kJkg wliq kJkg xsTV qH kJkg qL kJkg qliq kJkg 1 7920 20 7900 07588 26057 18157 7900 303 2 10695 40 10655 08159 30178 19523 10655 353 3 12971 40 12931 09664 36056 23125 12931 359 4 9799 43 9757 26050 9757 375 5 Menos com bustível é qu eimado Arranjo esquemático de um aquecedor de água de alimentação do tipo carcaça e tubos TC de contato indireto Disposição dos aquecedores numa instalação real que utiliza aquecedores regenerativos de água de alimentação Afastamento dos ciclos reais em relação aos ciclos ideais Caldeira Condensador Diagrama Temperatura Entropia que mostra o efeito das ineficiências da turbina e da bomba sobre o desempenho do ciclo Diagrama Temperatura Entropia que mostra o efeito das perdas entre a caldeira e a turbina 𝜂𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑄 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝐻 Exemplo 5 h432136 kJkg h531691 kJkg s5 67235 kJkgK 𝜼𝑻𝑼𝑹𝑩𝑰𝑵𝑨 𝟖𝟔 h31718 kJkg 𝜼𝑩𝒐𝒎𝒃𝒂 𝟖𝟎 Calcular o rendimento térmico desse ciclo Diagrama temperatura entropia do Exemplo 5 𝜂𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄𝐻 Ex wT kJkg wB kJkg wliq kJkg xsTV qH kJkg qL kJkg qliq kJkg 1 7920 20 7900 07588 26057 18157 7900 303 2 10695 40 10655 08159 30178 19523 10655 353 113 12971 40 12931 09664 36056 23125 12931 359 4 9799 43 9757 26050 375 5 8941 63 8878 08098 30418 8878 292 Exemplo de sistema de cogeração de calor e potência