Slide - Fluidos Com Mudança de Fase - 2024-1

Ciclos de potência: Fluidos com mudança de fase Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Formulário para acesso aos ebooks: https://forms.gle/BjqxvbeaVG94N4pm8 Em caso de dúvidas: Ana Luiza C. de A. Valério, Bibliotecária 2 Bibliografia 3 Material Complementar: • Ciclo de Rankine por Prof. Dr. Jorge Sá: https://www.youtube.com/watch?v=Z9PQmW6NqDo&list=PLJH qUYUf9YorU7LFQV247OWDcBtmoAtZ3&index=2 • Recomendação de Leitura – Apostila Poli/SISEA (Prof. Dr. José R Simões Moreira) • Tutorial Interpolação Linear com CASIO fx-M82s Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 8 Conceitos fundamentais • Tabelas termodinâmicas • Diagramas T-S e p-v (Saturação) • Modelagem e análise do ciclo de Rankine: ➢ Compreensão dos processos ➢ Balanço energético ➢ Eficiência térmica e razão BWR 4 Objetivo 5 • Quando você completar o estudo deste capítulo estará apto a… Aplicar o balanço de energia em um sistema utilizando dados de propriedades, com o objetivo de realizar uma análise termodinâmica completa do ciclo. Revisão 6 • Entropia ➢ É uma propriedade do sistema, sendo uma propriedade extensiva, ou seja, depende da quantidade de substância (massa) presente no sistema. ➢ Em processos termodinâmicos internamente reversíveis, nos quais não há dissipação de energia devido a atrito, vazamentos ou outros processos irreversíveis, a entropia pode ser expressa pela seguinte equação: ➢ Está intrinsecamente relacionada às demais grandezas termodinâmicas como entalpia (H) e energia interna (U). ⅆ𝑆 = 𝛿𝑄 𝑇 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠 𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛 (S.I.) Revisão 7 • Processo termodinâmicos - Carnot ➢ Dois processos isotérmicos: a temperatura do sistema permanece constante ao longo de todo o processo. ➢ Dois processos adiabáticos: não há transferência de calor para dentro ou para fora do sistema, ou seja, o calor trocado é zero (Δ𝑄 = 0). ⅆ𝑆 = 𝛿𝑄 𝑇 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 ➢ Se não há transferência de calor, logo, não há geração de entropia. Portanto, os processos adiabáticos também serão isentrópicos. Revisão 8 • Diagramas p-v e T-S: Carnot para um gás ideal Diagrama p-v Diagrama T-S Revisão 9 • Diagramas p-v e T-S: Carnot para um gás ideal Introdução 10 • Tema da aula: Ciclos de potência utilizando Fluidos com mudança de fase Qual é um potencial fluido com mudança de fase para ser explorado em ciclos de potência? Pensando na água, quais são as fases de interesse e por quê? Líquido-Vapor Líquido-Vapor 11 • Obtendo Propriedades Termodinâmicas Tabelas Líquido-Vapor (H2O) Tabela adaptada: Moran e Shapiro (2018) 12 • Propriedades da água: líquido-vapor Diagrama p-v Diagrama T-S Figuras adaptadas: Debnath (2019) V L L+V L+V L V Líquido-Vapor 13 Tabela Líquido-Vapor (H2O) adaptada: Moran e Shapiro (2018) Líquido-Vapor 1 2 Liq. Sat. Vap. Sat. 14 Figura: https://pt.vecteezy.com/arte-vetorial/4599571-fervendo-agua-100-graus-agua-na-panela-com-termometro-simbolo-em-cartoon-ilustracao-vetor-isolado-no-fundo-branco Líquido-Vapor 1 2 1 - Liq. Sat. 2 - Vap. Sat. Instalação a vapor simples 15 • Sistema de estudo: Instalação a vapor simples Considere água circulando em regime permanente através de uma série de quatro componentes interligados. Ciclo de Rankine 16 • O Ciclo de Rankine Simples ou Elementar é um ciclo termodinâmico que descreve a conversão de calor em trabalho mecânico. Ele envolve quatro processos: Aquecimento, expansão, resfriamento e compressão. Material Complementar: Ciclo de Rankine por Prof. Dr. Jorge Sá: https://www.youtube.com/watch?v=Z9PQmW6NqDo&list=PLJHqUYUf9YorU7LFQV247OWDcBtmoAtZ3&index=2 Ópera de abertura: Les quatre saisons, Op. 8, Concerto pour violon No. 2 in G Minor, RV 315 "L'été": III. Presto de Orchestra da camera I Musici & Felix Ayo Ciclo de Rankine Simples 17 • Processo 1-2 1-2: Ciclo de potência: Vapor saturado da caldeira se expande adiabaticamente (Δ𝑄 = 0) gerando trabalho útil na turbina. Processo isentrópico de expansão do fluido de trabalho até a pressão do condensador. Estado final: líq.+vap. a 𝑇𝑓 V L L+V V L L+V Ciclo de Rankine Simples 18 • Processo 2-3 V L L+V V L L+V 2-3: Processo de compressão isobárico e isotérmico. A agua circula pelo condensador a 𝑇𝑓 , despejando calor na fonte fria (𝑄𝑓). Estado final: líquido saturado a 𝑇𝑓 Ciclo de Rankine Simples 19 • Processo 3-4 V L L+V V L L+V 3-4: Bombeamento forçado do líquido saturado. Processo adiabático e isentrópico. Estado final: Líquido a temperatura intermediária 𝑇𝑖 entre 𝑇𝑞 e 𝑇𝑓. Ciclo de Rankine Simples 20 • Processo 4-1 V L L+V V L L+V 4-1: Líquido recebe calor (𝑄𝑞) da fonte quente. Estado final: vapor saturado a 𝑇𝑞 Ciclo de Rankine Simples 21 V L L+V 4-a: Líquido a 𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑚𝑒𝑑𝑖á𝑟𝑖𝑎 recebe calor (𝑄𝑞) da fonte quente. Como consequência, há um aumento da 𝑇𝑖 → 𝑇𝑞. Ao final do processo, ou seja, quando o atinge o ponto de saturação o fluido será um líquido saturado a 𝑇𝑞 a-1: Fluido de trabalho continua a receber calor da fonte quente, sofrendo expansão volumétrica. Processo isobárico e isotérmico a 𝑇𝑞. • Processo 4-1: Fluido recebe calor (𝑄𝑞) Ciclo de Rankine Simples 22 • Análise de um Ciclo Ideal de Rankine Para a análise de um Ciclo de Rankine é necessário estabelecer o balanço energético do sistema termodinâmico. Para isso, frequentemente serão utilizados valores de propriedades em pontos de saturação para a substância de trabalho em uma dada condição. ➢ Os valores das propriedades no ponto de saturação para diversas substâncias são apresentados em tabelas localizadas em apêndices do livro-texto. ➢ É comum a necessidade de interpolação de dados dessas tabelas; portanto, preparem-se para trabalhar com interpolação manualmente ou utilizando calculadoras científicas. Ciclo de Rankine Simples 23 • Análise de um Ciclo Ideal de Rankine Processo 1-2: Turbina Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Sendo ṁ a vazão mássica do fluido de trabalho circulante e Ẇt/ṁ a taxa pela qual o trabalho é desenvolvido por unidade de massa de vapor que passa pela turbina. Ẇt ṁ = ℎ1 − ℎ2 Valores de entalpia específica (Tabela) Ciclo de Rankine Simples 24 • Análise de um Ciclo Ideal de Rankine Processo 2-3: Condensador Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) No caso, Q̇ sai/ṁ é a taxa pela qual a energia é transferida pelo calor do fluido de trabalho para a água de resfriamento por unidade de massa de fluido de trabalho que passa pelo condensador. Q̇ sai ṁ = ℎ2 − ℎ3 Q̇ sai = Q̇ f Ciclo de Rankine Simples 25 • Análise de um Ciclo Ideal de Rankine Processo 3-4: Bomba Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) O líquido condensado que deixa o condensador em 3 é bombeado do condensador para a caldeira a uma pressão mais alta. Ẇb ṁ = ℎ4 − ℎ3 Ciclo de Rankine Simples 26 • Análise de um Ciclo Ideal de Rankine Processo 3-4: Bomba Como líquidos são praticamente incompressíveis sob bombeamento, o volume específico (𝑣) entre os estados 3 e 4 pode ser considerado constante (𝑣3 ≈ 𝑣4), Isto tem implicações práticas para a determinação dos valores de entalpia: ⅆℎ = 𝑣 ⅆ𝑃 → Δℎ = න 3 4 𝑣 ⅆ𝑃 = 𝑣 𝑃4 − 𝑃3 Ẇb ṁ = (ℎ4−ℎ3) ≈ 𝑣3 𝑃4 − 𝑃3 Ciclo de Rankine Simples 27 • Análise de um Ciclo Ideal de Rankine Processo 4-1: Caldeira Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) em que Q̇ entra/ṁ é a taxa de transferência de calor da fonte de energia para o fluido de trabalho por unidade de massa que passa pela caldeira. Q̇ entra ṁ = ℎ1 − ℎ4 Q̇entra = Q̇ q Ciclo de Rankine Simples 28 • Parâmetros de desempenho Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) η𝑡 = 𝑊𝑙í𝑞 𝑄𝑞 = 𝑊𝑡 − 𝑊𝑏 𝑄𝑞 η𝑡 é definido como a razão entre o trabalho líquido produzido no ciclo (𝑊𝑙í𝑞) e a quantidade de calor fornecido (𝑄𝑞 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎) ao sistema. = ℎ1−ℎ2 −(ℎ4−ℎ3) (ℎ1−ℎ4) Ciclo de Rankine Simples 29 • Parâmetros de desempenho Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) η = 𝑊𝑙í𝑞 𝑄𝑞 = 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓 𝑄𝑓 η = 1 − 𝑄𝑓 𝑄𝑞 = (ℎ2−ℎ3) (ℎ1−ℎ4) Ciclo de Rankine Simples 30 • Parâmetros de desempenho Razão de trabalho reverso (bwr = back work ratio) η = 𝑊𝑏 𝑊𝑡 = (ℎ4−ℎ3) ℎ1 − ℎ2 A relação BWR é um indicador de eficiência do ciclo, onde valores menores indicarão maior eficiência. What’s next? • Melhorias no desempenho em Ciclos de Rankine. 31 Atividade Semanal Atividade Semanal 2: Data da entrega: 14/03/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Exemplo resolvido 8.1 - Moran e Shapiro, 8ª Edição 2) Utiliza-se água como fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine. O vapor saturado entra na turbina a 8 MPa e, no condensador, a pressão é de 0,008 MPa. A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW. Determine para o ciclo: a) a eficiência térmica (Resposta: 37,1%) b) a razão bwr (Resposta: 0,837%) c) a vazão mássica de vapor, em kg/h (Resposta: 3,77x105 kg/h) d) a taxa de transferência de calor (𝑄𝑞) fornecida ao fluido de trabalho que passa pela caldeira, em MW (Resposta: 269,77 MW) Importante: Não se esqueça de esboçar diagramas, demonstrar os cálculos e fazer comentários sempre que necessário. Utilize o exercício como se estivesse estudando para recordar no futuro. 32