Slide - Fluidos Com Mudança de Fase Parte 2 - 2024-1

Ciclos de potência: Fluidos com mudança de fase - II 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 • Não esquecer de entregar a Atividade Semanal 1 2 Bibliografia 3 Material Complementar: • Recomendação de Leitura – Apostila Poli/SISEA (Prof. Dr. José R Simões Moreira) • Artigo científico de Marzouk 2024 (planta supercrítica) Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 8 Conceitos fundamentais 4 • Melhoria do desempenho do Ciclo de Rankine • Modelagem e análise do ciclo de Rankine: ➢ com superaquecimento ➢ com reaquecimento ➢ ciclo supercrítico ➢ ciclo de potência de vapor regenerativo 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. Introdução 6 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Área sob a curva (Processo 1-2) correspondente ao calor transferido em um processo internamente reversível de um sistema fechado Área Representativa da Transferência de Calor Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 𝑄 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = න 1 2 T ⅆ𝑆 Introdução 7 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Área Representativa da Transferência de Calor 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = න 4 1 T ⅆ𝑆 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = න 2 3 T ⅆ𝑆 Introdução 8 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Área Representativa da Transferência de Calor Q̇ ent ṁ 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = න 4 1 T ⅆ𝑆 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 (1 − 𝑎 − 𝑏 − 4 − 1) = 𝑇𝑞 (𝑆1 − 𝑆4) Introdução 9 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Área Representativa da Transferência de Calor Q̇ sai ṁ 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = න 2 3 T ⅆ𝑆 = 𝑎𝑟𝑒𝑎 (2 − 𝑎 − 𝑏 − 3 − 2) = 𝑇𝑓 (𝑆2 − 𝑆3) = 𝑇𝑓 (𝑆1 − 𝑆4) Introdução 10 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Área Representativa da Transferência de Calor Pela 1ª Lei: 𝑄𝑞 = 𝑊 + 𝑄𝑓 𝑊𝑙𝑖𝑞 Introdução 11 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Área Representativa da Transferência de Calor η𝑡 = 1 − 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑄𝑒𝑛𝑡 Para um ciclo térmico genérico Mas, Q̇ ent ṁ 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = 𝑇𝑞 𝑆1 − 𝑆4 𝑒 Q̇ sai ṁ 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 = 𝑇𝑓 (𝑆1 − 𝑆4) Logo, η𝑡 = 1 − 𝑇𝑓 𝑇𝑞 Rankine Simples 12 • Sistema de estudo: Instalação a vapor simples Considere água circulando em regime permanente através de uma série de quatro componentes interligados. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Rankine Simples 13 η𝑡 = 𝑊𝑙í𝑞 𝑄𝑞 = 𝑊𝑡 − 𝑊𝑏 𝑄𝑞 = ℎ1 − ℎ2 − (ℎ4−ℎ3) (ℎ1−ℎ4) • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Rankine Simples 14 η𝑡 = 𝑊𝑙í𝑞 𝑄𝑞 = 𝑄𝑞 − 𝑄𝑓 𝑄𝑓 = 1 − 𝑄𝑓 𝑄𝑞 = (ℎ2−ℎ3) (ℎ1−ℎ4) • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) Rankine Simples 15 • Rendimento ou eficiência térmica (η𝑡) A eficiência térmica em um Ciclo de Rankine também pode ser expressa de maneira análoga à representação do ciclo “genérico” discutido anteriormente. η𝑡 = 1 − 𝑇𝑓 𝑇𝑞 η𝑡 aumenta com o aumento de 𝑇𝑞 e/ou com a diminuição de 𝑇𝑓 16 • Melhora do desempenho (η𝑡) Com o aumento da pressão na caldeira, a temperatura média de adição de calor aumenta (𝑇𝑞), dessa forma a eficiência térmica tende a aumentar. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Rankine Simples Como aumentar 𝑇𝑞? 17 • Melhora do desempenho (η𝑡) Com a diminuição da pressão no condensador, a temperatura de rejeição de calor diminui, e, consequentemente, a eficiência térmica tende a aumentar. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Rankine Simples 18 • Título do vapor O título do vapor refere-se à fração de vapor presente em uma mistura de vapor-líquido em um determinado estado. O controle do título é crucial para garantir o desempenho eficiente e seguro do ciclo de potência a vapor. ➢ Ao final do processo de expansão isentrópica (turbina) é preferível título de vapor elevado. (menos líquido) ➢ Para a compressão (bomba) é preferível a redução do título de vapor. (somente líquido) Rankine Simples 19 • Título do vapor Rankine Simples Embora variações de temperatura (T) e pressão (P) na caldeira e no condensador possam ser úteis para melhorar o rendimento do ciclo, em ambos os casos haverá uma redução no título de vapor na saída da turbina. Portanto, é necessário avaliar cuidadosamente antes de implementar tais melhorias 20 • Comparação entre ciclos: Rankine e Carnot Rankine Simples O rendimento médio de um ciclo de Rankine operando entre 𝑇𝑞 e 𝑇𝑓 será sempre inferior ao de um Ciclo de Carnot operando na mesma faixa de temperatura. Considere os Ciclos de Potência a vapor: Carnot: 1-2-3’-4’-1 Rankine: 1-2-3-4-4’-1 Qual deles possui maior eficiência térmica? Porém, é muito mais fácil condensar o vapor completamente e trabalhar somente com líquido na bomba, como é feito no ciclo de Rankine. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 21 • Modificações na planta de potência Melhoria do Desempenho Ciclo de Rankine: ➢ com superaquecimento ➢ com reaquecimento ➢ ciclo supercrítico ➢ ciclo de potência de vapor regenerativo Ao propor-se modificações na instalação a vapor que alteram o Ciclo de Rankine Simples, é esperado um aumento na eficiência, além de lidar com possíveis desafios técnicos associados ao ciclo, como o controle do título do vapor. 22 • Ciclo de Rankine com Superaquecimento Superaquecimento É fornecida energia adicional ao vapor d’água na caldeira (superaquecedor) para que se tenha vapor superaquecido na entrada da turbina. Figuras adaptada: Debnath (2019) Gerador de vapor Caldeira + Superaquecedor 23 Superaquecimento • O ciclo com superaquecimento (1′–2′–3–4–1′) apresenta uma temperatura média mais alta para o acréscimo de calor do que o ciclo sem superaquecimento (ciclo 1–2–3–4– 1): Aumento da potência líquida (𝑊𝑙𝑖𝑞) e aumento de eficiência. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) • Ciclo de Rankine com Superaquecimento • O título do vapor na saída da turbina aumenta (pode ocorrer vapor superaquecido). Balanço energético: As propriedades do vapor superaquecido (Estado 1') são determinadas experimentalmente em função de temperatura (T) e pressão (P), e estão apresentadas em datasheets localizados em apêndices do livro-texto. 24 Reaquecimento Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) • Rankine com reaquecimento do vapor O vapor não se expande até a pressão do condensador em um único estágio. Reaquecimento + Superaquecimento 25 Reaquecimento • Rankine com reaquecimento do vapor O vapor não se expande até a pressão do condensador em um única estágio. 1-2: O vapor superaquecido se expande na turbina (Estágio 1) até atingir um valor de pressão intermediário entre a pressão do gerador de vapor e a do condensador. Ẇt 1 ṁ = Δ𝐻1−2 = (ℎ1−ℎ2) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 26 Reaquecimento • Rankine com reaquecimento do vapor 2-3: Ao final da expansão na turbina de alta pressão, (processo 1-2) o vapor é reaquecido no gerador de vapor. Q̇ 23 ṁ = Δ𝐻2−3 = (ℎ3−ℎ2) Qentra no Processo 2-3 Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 27 Reaquecimento • Rankine com reaquecimento do vapor 3-4: O vapor superaquecido se expande na turbina (Estágio 2). Processo isentrópico de expansão do fluido de trabalho até a pressão do condensador. Estado final: líq.+vap. a 𝑇𝑓 Ẇt 2 ṁ = Δ𝐻3−4 = (ℎ3−ℎ4) A principal vantagem do reaquecimento é aumentar o título na saída da turbina (compare 4 e 4’) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 28 Reaquecimento • Rankine com reaquecimento do vapor 4-5: 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 Q̇ sai ṁ = Δ𝐻4−5 = (ℎ4−ℎ5) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 29 Reaquecimento • Rankine com reaquecimento do vapor 5-6: O líquido que deixa o condensador em 5 é bombeado do condensador para a caldeira a uma pressão mais alta. Ẇb ṁ = Δ𝐻5−6 = (ℎ6−ℎ5) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 30 Reaquecimento • Rankine com reaquecimento do vapor 6-1: Transferência de calor da fonte de energia para o fluido de trabalho. Q̇ 61 ṁ = Δ𝐻6−1 = (ℎ1−ℎ6) Qentra no Processo 6-1 Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Ciclo de Rankine Simples 31 • Eficiência térmica (η𝑡) η𝑡 = 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝑄𝑒𝑛𝑡 = (ℎ1−ℎ2) + (ℎ3−ℎ4) – (ℎ6−ℎ5) (ℎ1−ℎ6) + (ℎ3−ℎ2) Q̇ ent ṁ = (ℎ1−ℎ6) + (ℎ3−ℎ2) Ẇliq ṁ = (ℎ1−ℎ2) + (ℎ3−ℎ4) – (ℎ6−ℎ5) 32 Ciclo supercrítico • Fluido Supercrítico Figuras: Marzouk (2024) Diagrama de fases T-S para água, mostrando os estados da água de um ciclo de vapor subcrítico (1-2-3-4-1). Ciclo de Rankine com superaquecimento. Ponto crítico da água (22,1 MPa, 374 °C) 33 Ciclo supercrítico • Fluido Supercrítico Figuras: Marzouk (2024) Diagrama de fases T-S para água, mostrando os estados da água de um ciclo de vapor supercrítico. • Plantas a vapor supercríticas: 30 MPa e 600 °C • Plantas a vapor ultra supercríticas: 35 MPa e 750 °C A melhoria dos materiais e processos de fabricação tem permitido um aumento nas temperaturas no ciclo e na pressão do gerador de vapor, aumentando a eficiência térmica. 34 Vapor regenerativo • Vapor regenerativo - Aberto Modificação em relação ao Ciclo de Rankine Simples: Consiste em uma ou mais extrações (sangria) de vapor de água da turbina para misturá-la com água da fonte fria. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 35 Vapor regenerativo • Vapor regenerativo - Aberto 1-2: Vapor superaquecido (P1 e Tq) se expande pela turbina de alta pressão (Estágio 1) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) • Uma fração do escoamento total (𝑦) é extraída para o aquecedor de água operando a P2. • A outra fração do escoamento total (1 − 𝑦) se expande através da turbina do segundo estágio gerando trabalho útil (Processo 2-3). 36 Vapor regenerativo • Vapor regenerativo - Aberto 3-4: Troca de calor (𝑄𝑓) no condensador resultando em líquido saturado a 𝑇𝑓 e 𝑃3. Fração de escoamento (1 − 𝑦) Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) 4-5: O líquido saturado (1 − 𝑦) é bombeado até a pressão 𝑃5. Sempre lembrar que esse é um processo isentrópico e isovolumétrico que implica no aumento da temperatura do fluido de trabalho. 5-6: Calor adicional é fornecido à fração de escoamento 1 − 𝑦 . Este processo ocorre no aquecedor de água. Fonte de calor? Fração de escoamento (𝒚) 37 Vapor regenerativo • Vapor regenerativo - Aberto Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Uma única corrente misturada deixa o aquecedor de água de alimentação no estado 6 a 𝑃6 como líquido saturado. 6-7: O Líquido Saturado (estado 6) é bombeado isentropicamente (Bomba 2). 7-1: O fluido de trabalho recebe calor da fonte quente 𝑄𝑞 resultando em vapor superaquecido. 38 Vapor regenerativo • Vapor regenerativo - Aberto Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) O ciclo a vapor regenerativo tem como principais vantagens a economia de combustível (processo 5-6) e o aumento na eficiência térmica do ciclo. 39 Aspectos gerais • Exemplo: Figura: Strambi (2007) PLANTA SUPERCRÍTICA EM USINAS DE AÇÚCAR E ÁLCOOL 40 Aspectos gerais • Exemplo: PLANTA SUPERCRÍTICA EM USINAS DE AÇÚCAR E ÁLCOOL Figura: Strambi (2007) 41 Aspectos gerais • Fluido de trabalho: Água ➢ Água desmineralizada (pura e de maior qualidade) é utilizada na maioria dos sistemas de potência a vapor. ➢ Com a água a potência de bombeamento é tipicamente baixa e as técnicas de superaquecimento, reaquecimento e regeneração são efetivas para aumentar a eficiência da planta de potência. ➢ A água é satisfatória para ciclos com alta temperatura média de adição de calor. 42 Aspectos gerais • Fluido de trabalho: Figura: Quoilin (2011) ➢ Os ciclos de Rankine orgânicos empregam substâncias orgânicas (pentano, misturas de hidrocarbonetos, refrigerantes, amônia) que possuem ponto de ebulição relativamente baixo. What’s next? • Sistemas de potência a gás. 43 Atividade Semanal Atividade Semanal 3: Data da entrega: 19/03/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Exemplo resolvido 8.3 - Moran e Shapiro, 8ª Edição A água é o fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine com superaquecimento e reaquecimento. O vapor entra na turbina do primeiro estágio a 8,0 MPa e 480ºC, e se expande até 0,7 MPa. Em seguida, é reaquecido até 440 ºC antes de entrar na turbina do segundo estágio, onde se expande até a pressão do condensador de 0,008 MPa. A potência líquida na saída é de 100 MW. Determine: a) A eficiência térmica do ciclo (Resposta: 40,3%) b) A vazão mássica do vapor, em kg/h (Resposta: 2,363x105 kg/h) c) A taxa de transferência de calor do vapor que condensa quando passa pelo condensador, em MW (Resposta: 148 MW) Importante: Não se esqueça de esboçar diagramas (T-S e p-v), demonstrar os cálculos e fazer comentários sempre que necessário. Utilize o exercício como se estivesse estudando para recordar no futuro. 44