Análise de Ciclos de Potência Vapor e Eficiências em Bomba e Turbina

Agradecimento aos Profs Ubices UFSCar e Moreira EESCUSP Ciclos de Potência Vapor Ciclo Rankine üIrreversibilidas na Bomba e na Turbina não são ideais Embora seja possível obter altas eficiências na bomba e na turbina elas nunca serão ideais isto é teremos irreversibilidades Assim dados as eficiências destes equipamentos pelos fabricantes podemos avaliar os estados finais do fluido na b o m b a e n a t u r b i n a o u inversamente t raçar su as eficiências conhecendo os estados de entrada e saída A eficiência da turbina também é dada como 1 2 1 2 real turbina ideal s w h h w h h Devido as irreversibilidades o trabalho repassado pela turbina real será inferior ao trabalho do processo idealizado isoentrópico CUIDADO Na figura acima é indicado que o fluido na saída da turbina esta na região bifásica Porém ele poderá estar na fase de vapor superaquecido principalmente para baixas eficiências do equipamento A eficiência da bomba é dado como 4 3 4 3 ideal s bomba real w h h w h h Devido as irreversibilidades é necessário a adição de uma quantidade maior de trabalho Cuidado a definição da eficiência da bomba segue ordem inversa da turbina üPerdas de pressão ATRITO Outras irreversibilidades referese as perdas de carga devido ao atrito que ocorrem na linha nas conexões válvulas cotovelos e outros üPerdas de pressão ATRITO Outras irreversibilidades referese as perdas de carga devido ao atrito que ocorrem na linha nas conexões válvulas cotovelos e outros Exercício 2 Fazer o exercício anterior com eficiência isoentrópica de 85 para a bomba e a turbina Pedese a a eficiência térmica b A vazão mássica de valor kgh c Qe MW d Qs MW e a vazão mássica de água de resfriamento no condensador kgh se a água entra no condensador a 15 ºC e sai a 35 ºC Estado 1 temos p1 8 MPa e vapor saturado logo da tab A3 do Moran e Shapiro Estado 2 podese encontrar o estado dois utilizando a eficiência isentrópica Como fizemos no exemplo anterior h2s 17948 kJkg logo Assim η h1 h2 h4 h3 h1 h4 2758 19393 948 2758 18336 0314 314 Obs exemplo anterior 371 Estado 3 temos p3 0008 MPa e líquido saturado logo da tab A3 do Moran e Shapiro Estado 4 considerase apenas os balanços de fluxo de massa e energia para o volume de controle reduzido no entorno da bomba Através da eficiência energética temos O numerador da equação anterior foi determinado no exemplo anterior logo A entalpia específica na saída da bomba é portanto a Potência líquida desenvolvida b Vazão mássica de vapor c Taxa de transferência de calor entrada d Taxa de transferência de calor saída e Fluxo mássico de água de resfriamento üDiminuição da Pressão no Condensador üDiminuição da Pressão no Condensador T üDiminuição da Pressão no Condensador Um dos problemas da redução da pressão no condensador e consequentemente da temperatura é a redução do título do vapor deixando a turbina NOTA Não é aconselhável a existência de gotículas de líquido na saída da turbina que podem levar a erosão prematura de suas pás Por medidas de precaução tentase manter o título na saída da Turbina a superior a 90 X09 Aumento da Eficiência do Ciclo üAumento da Pressão na Caldeira 1 Tq média s T ds Ao aumentar a pressão na c a l d e i r a a u m e n t a m o s a Temperatura média de inserção de calor na fonte quente assim aumentamos a eficiência térmica do ciclo Um dos problemas referese a diminuição do título caso utilizamos do vapor saturado na entrada da turbina Aumento da Pressão na Caldeira Superaquecimento do Vapor üSuperaquecimento do Vapor Outra possibilidade é aumentar a temperatura do vapor antes deste entrar na turbina I s t o i r á c a u s a r u m a u m e n t o n a eficiência do ciclo já que iremos aumentar a temperatura média da inserção de calor na fonte quente O limite da temperatura será definido pelas propriedades metalúrgicas dos materiais da caldeira superaquecedor e da turbina isto é poderá ocorrer danos no equipamento Aumento do título Melhora no Desempenho do Ciclo Superaquecimento e Reaquecimento protegem a turbina e elevam a temperatura TH da fonte quente O rendimento do ciclo é maior Melhora no Desempenho do Ciclo Superaquecimento e Reaquecimento protegem a turbina e elevam a temperatura TH da fonte quente O rendimento do ciclo é maior Melhora no Desempenho do Ciclo Ciclo supercrítico Melhora no Desempenho do Ciclo Ciclo supercrítico Limitações na temp do vapor dágua que entra na turbina devido aos materiais usados na fabricação do superaquecedor Altas pressões no gerador de vapor requerem tubulações que possam suportar grandes tensões e temp elevadas Mas com os avanços na área de materiais o gerador de vapor pode operar com pressões que excedem a pressão crítica da água 221 MPa e temp na entrada da turbina que excedem 600 C chegando até a 30 MPa NÃO HÁ O BORBULHAMENTO CARACT DA EBULIÇÃO Melhora no Desempenho do Ciclo CICLO COM REGENERAÇÃO DE CALOR Adicionando um aquecedor aberto de água com bomba Melhora no Desempenho do Ciclo CICLO COM REGENERAÇÃO DE CALOR Adicionando um aquecedor aberto de água com bomba 3 2 1 m m m BALANÇO DE MASSA EM TODA A TURBINA DO CICLO REGENERATIVO COM UM AQUECEDOR DE ÁGUA ABERTO 1 2 m m y y m m 1 1 3 AQUECEDOR DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO ABERTO 2 y fração 5 1y fração 6 1 100 BALANÇO DE ENERGIA DO AQUECEDOR ABERTO AQUECEDOR DE ÁGUA DE ALIMENTAÇÃO ABERTO 2 y fração 5 1y fração 6 1 100 6 5 2 1 1 h y h y h 6 5 2 5 h h y h h BALANÇO DE ENERGIA DO AQUECEDOR ABERTO Melhora no Desempenho do Ciclo Adicionando um Aquecedor fechado de água 6 5 2 7 h h y h h Melhora no Desempenho do Ciclo Adicionando um Aquecedor fechado de água üComentários O uso de regeneradores maior custo de aquisição somente é compensado pela redução do uso de combustível utilizado isto é pelo aumento da eficiência do ciclo AAA ABERTOS AAA FECHADOS Vantagens São mais simples e baratos além de possibilitar uma melhor transferência de calor entres os fluidos quando comparados com AAA fechados Desvantagem Necessidade de uma bomba extra Vantagens Possibilidade de reduzir o uso de uma bomba com o uso do purgador significando um menor custo de aquisição D e s v a n t a g e m M a i o r c o m p l e x i d a d e d o equipamento que traduz num maior custo além de possuir uma menor performance da transferência de calor Referências ÇENGEL YA BOLES MA Termodinâmica 7ed São Paulo McGraw Hill 2013 MAZURENKO A S e TEIXEIRA F N Geração Termelétrica Planejamento projeto e operação Editora Interciência MORAN M J SHAPIRO H N BOETTNER DD BAILEY MB Princípios de Termodinâmica para Engenharia 7ed Rio de Janeiro LTC 2014