Ciclo Rankine - Usinas de Potência a Vapor e Análise do Ciclo Ideal

O Ciclo Ideal para os Ciclos de Potência a Vapor Ciclo Rankine Usina de Potência a Vapor Simples Stack Combustion gases to stack Electric generator Turbine Boiler Cooling tower Fuel Air Condenser Warm water Pump Makeup water Cooled water Feedwater pump Ciclo de Carnot componentes e diagrama Ciclo Rankine componentes e diagrama Processos Principais O Ciclo de Rankine ideal não envolve nenhuma irreversibilidade interna e consiste nos quatro seguintes processos 12 Compressão isoentrópica na bomba 23 Adição de calor a pressão constante na caldeira 34 Expansão isoentrópica na turbina 41 Rejeição de calor a pressão constante no condensador Equações para o Ciclo Rankine Equação da conservação da energia z gz 2 V V h m h W Q 0 S E 2 S 2 E S E v c v c Equações para o Ciclo Rankine 1 2 h m h WB 4 3 h m h WT 2 3 h m h QH 1 4 h m h QL Na bomba Na turbina Na caldeira No condensador Equações para o Ciclo Rankine H L H liq t Q Q Q W 1 L H B T liq Q Q W W W Eficiência térmica do ciclo Balanço Global de Energia Desvios entre os Ciclos Reais de Potência a Vapor e os Ciclos Idealizados O ciclo real de potência de vapor difere do Ciclo de Rankine ideal em virtude das irreversibilidades em vários componentes O atrito do fluido e a perda de calor para a vizinhança são duas fontes comuns de irreversibilidades Desvios do ciclo real de potência a vapor do ciclo de Rankine Efeitos das irreversibilidades na bomba e na turbina sobre o ciclo de Rankine O atrito no fluido causa queda de pressão na caldeira no condensador e nas tubulações entre os diversos componentes Como resultado o vapor sai da caldeira a uma pressão um pouco mais baixa Da mesma forma a pressão na entrada da turbina é mais baixa do que aquela da saída da caldeira devido à queda de pressão na tubulação de conexão A queda de pressão no condensador geralmente é muito pequena Para compensar essas quedas de pressão a água deve ser bombeada até uma pressão suficientemente mais alta do que aquela que o ciclo ideal pede Isso exige uma bomba maior e que consome mais trabalho Efeitos das irreversibilidades Outra fonte importante de irreversibilidade é a perda de calor do vapor para a vizinhança à medida que o escoamento ocorre através dos diversos componentes Para manter o mesmo nível de potência líquida produzida é preciso transferir mais calor para o vapor da caldeira para compensar essas perdas indesejáveis de calor Consequentemente a eficiência do ciclo cai As irreversibilidades que ocorrem dentro da bomba e da turbina são particularmente importantes Uma bomba exige maior consumo de trabalho e uma turbina produz menos trabalho em virtude das irreversibilidades Sob condições ideais o escoamento através desses dispositivos é isoentrópico Efeitos das irreversibilidades O desvio entre as bombas e turbinas reais e as isoentrópicas pode ser calculado utilizandose as eficiências isoentrópicas Efeitos das irreversibilidades Eficiência na bomba e turbina T T B B h m h W h m h W 4 3 1 2 Bomba Turbina Entalpias reais na saída da bomba e turbina Bomba Turbina 4 3 1 2 R T R B h m h W h m h W Aumento da pressão do vapor vivo Aumento da temperatura do vapor vivo Redução da pressão de condensação Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine A pressão de vapor é obtida em caldeiras comercias cujos valores estão restritos por razões econômicas as pressões de 21 MPa 42 63 8 10 12 MPa Pelo mesmo motivo a temperatura máxima encontra se por volta de 550 oC Por questões técnicas Pcond mínima de 5 kPa 33 oC para climas frios e 12 kPa 50 oC para climas quentes e x 90 Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Ciclo com reaquecimento neste o vapor expande até uma pressão intermediária na turbina e é então reaquecido na caldeira e retorna à seção de média pressão da turbina a vapor Com isso o rendimento aumenta devido ao emprego de temperaturas mais elevadas na entrada do segundo estágio da turbina bem como se evita a umidade excessiva do vapor nos estágios de baixa pressão Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Ciclo com reaquecimento Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Ciclo com reaquecimento Ciclo regenerativo Aquecedores de água de alimentação da caldeira Pré aquecedores de ar Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Ciclo regenerativo Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Melhora da eficiência térmica do ciclo de Rankine Exemplo de Aplicação Vapor entra na turbina de uma usina termoelétrica a vapor simples com uma pressão de 8 MPa e temperatura 500C e se expande adiabaticamente para 10 kPa A eficiência isentrópica da turbina é de 87 e a da bomba é de 85 A potencia liquida do ciclo é de 10 MW a determine o título da saída da turbina b a eficiência térmica do ciclo c a vazão mássica da água através do condensador se a variação máxima de temperatura da água é de 20 C d a vazão mássica de Óleo combustível 3A PCI 9388 kcalkg Exemplo de Aplicação P3 10000 P1 20 h3 h Steam T T3 P P3 s3 s Steam T T3 P P3 h4 h Steam s s3 P P1 x4 x Steam s s3 P P1 h1 h Steam x 0 P P1 v1 v Steam x 0 P P1 h2 h1 v1 P3 P1 η WT WB QH WT 10000 WT m h3 h4 NT WB m h2 h1 NB Exemplo de Aplicação NT 085 NB 082 WT m h3 h4r WB m h2r h1 QH m h3 h2r QCD m h4r h1 Res QH QCD WT WB QCD mw 418 DT DT 15 QH mcomb PCI PCI 9388 418 Exemplo de Aplicação EES Commercial Version EEES32Provasp12012ees Parametric Table Table 1 η h1 kJkg h2 h2r h3 h4 h4r m Run 1 0305 251388 261538 263767 2923798 1955445 2100698 12149 Run 2 0311 251388 261538 263767 3099005 2045737 2203727 11170 Run 3 0318 251388 261538 263767 3243362 2114732 2284026 10424 Run 4 0324 251388 261538 263767 3374640 2173256 2353463 9793 Run 5 0331 251388 261538 263767 3499702 2225503 2416633 9233 Run 6 0338 251388 261538 263767 3621727 2273471 2475709 8726 Run 7 0344 251388 261538 263767 3742400 2318262 2531882 8261 Run 8 0351 251388 261538 263767 3862698 2360557 2585878 7832 Run 9 0358 251388 261538 263767 3983235 2400812 2638175 7435 Run 10 0365 251388 261538 263767 4104413 2439349 2689108 7066 Exemplo de Aplicação mcomb mw QCD QH Res T3 WB x4 Run 1 0824 358335 22467601 32317211 0000 350000 150391 0723 Run 2 0807 347800 21807071 31668805 0000 400000 138266 0761 Run 3 0791 337926 21187981 31058947 0000 450000 129034 0790 Run 4 0776 328307 20584829 30463609 0000 500000 121219 0815 Run 5 0761 318848 19991756 29877464 0000 550000 114292 0837 Run 6 0747 309555 19409126 29301111 0000 600000 108014 0857 Run 7 0732 300463 18839009 28735749 0000 650000 102259 0876 Run 8 0718 291605 18283629 28186680 0000 700000 96949 0894 Run 9 0705 283012 17744842 27652812 0000 750000 92031 0911 Run 10 0692 274705 17224003 27136540 0000 800000 87463 0928 Çengel YA Boles MA 2006 Termodinâmica São Paulo Editora McGrawHill 5ª Edição MORAN MICHAEL J SHAPIRO HOWARD N Princípios de Termodinâmica para Engenharia Editora LTC 2002 MORAN SHAPIRO MUNSON DE WITT Introdução à Engenharia de Sistemas Técnicos Ed LTC 2005 Wylen GV Sonntag R Borgnakke C 2004 Fundamentos da Termodinâmica São Paulo Editora Edgard Blücher 6ª Edição wwwsimteccombrCarlos20Eduardo20Machado20Paletta20 wwwutfpredubrcursos2termodinamicafile httpxayimgcomkqAula6TMFATermodinâmicaAplicada2009pdf