Ciclo de Potência a Vapor: Princípios e Aplicações

Agradecimento aos Profs Ubices UFSCar e Moreira EESCUSP Ciclos de Potência Vapor Ciclo Rankine Uso de Geradores de Vapor Antiguidade Aeolipile bola de vento Heron de Alexandria Uso de Geradores de Vapor Antiguidade Porta automática Uso de Geradores de Vapor Locomotiva a vapor Rankine 18201872 Wi l l i a m R a n k i n e U m d o s p a t r i a r c a s d a Termodinâmica Desenvolveu trabalhos em diversas áreas do conhecimento como botânica teoria dos números e teoria musical Ele foi um cantor amador pianista e violoncelista compondo diversas canções humorísticas Um dos seus principais trabalhos foi conciliar uma teoria completa da máquina de vapor e de fato de todos os motores de calor A escala de temperatura Rankine é uma das homenagens a este físico e engenheiro Além é claro do Ciclo Rankine Ciclo Potência a Vapor o qual veremos a seguir INTRODUÇÃO Usinas de potência de Vapor Combustíveis fósseis Biomassa INTRODUÇÃO Usinas de potência de Vapor Combustíveis fósseis Biomassa Reator Nuclear Reator Nuclear Térmica Solar Térmica Solar Geotérmica Tipo de Planta de Potência Não Renovável Renovável Ciclo Termodinâmico Carvão X Rankine Por Gás X Rankine ou Brayton Combustível Nuclear X Rankine Derivados do petróleo X Rankine Biomassa X Rankine Geotérmica X Rankine Energia Solar X Rankine Hidrelétrica X Não se aplica Eólica X Não se aplica Fotovoltaica solar X Não se aplica Células de Combustível X Não se aplica Correntes marés e ondas X Não se aplica Shapiro Principios da Termodinâmica Componentes de uma Usina de Potência a Vapor Caldeira Turbina Condensador Bomba Torre de resfriamento Gerador elétrico CICLO RANKINE üComponentes Básicos Caldeira Turbina Condensador Bomba üCICLO DE CARNOT NA REGIÃO BIFÁSICA Por que não utilizamos o Ciclo de Carnot CICLO DE CARNOT üCICLO DE CARNOT O ciclo de Carnot não é um modelo adequado para os ciclos de potência a vapor reais pois ele não pode ser aproximado na prática Bombas e Turbinas não trabalham adequadamente na região bifásica podendo ocasionar uma rápida erosão dos seus componentes üCiclo de Rankine Componentes básicos üCiclo de Rankine Componentes básicos Ciclo de Rankine simples ideal üProcessos do Ciclo O ciclo é composto por 4 processos internamente reversíveis os quais são 12 Compressão adiabática reversível na bomba Isoentrópica 23 Aquecimento do fluido a pressão constante na caldeira 34 Expansão adiabática reversível na turbina Isoentrópica 41 Rejeição de calor a pressão constante no condensador üHipóteses frequentes nas considerações de análise Regime Permanente RP em todos os componentes Desprezase os efeitos da Energia Potencial EP Supõese a Energia Cínética EC bem pequena em face as energias interna Considerase que as perdas de pressão na Caldeira e Condensador sejam desprezíveis Supõese a Bomba e Turbina como ideais isto é realizam um processo isoentrópico PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA APLICADA AOS PROCESSOS DO CICLO RANKINE s s s s e e e e vc gz V h m gz V h m Q W dt dE 2 2 2 2 üBOMBA 1 2 1 2 bomba bomba W w h h v p p m NOTA A expressão dada acima fornecerá um valor negativo porém na prática é comum expressar todos os trabalhos em módulo e quando necessário ajustar seu sinal conforme o sentido do trabalho üBOMBA 1 2 1 2 bomba bomba W w h h v p p m Para fluidos incompressíveis NOTA A expressão dada acima fornecerá um valor negativo porém na prática é comum expressar todos os trabalhos em módulo e quando necessário ajustar seu sinal conforme o sentido do trabalho üCALDEIRA 3 2 ent ent Q q h h m üTURBINA 3 4 turb turb W w h h m üCONDENSADOR 1 4 sai sai Q q h h m NOTA A expressão dada acima fornecerá um valor negativo porém na prática como no trabalho expressamos o calor em módulo e posteriormente ajustamos seu sinal conforme o sentido üRendimento 1ª Lei 1 2 4 3 3 2 1 4 4 1 1 liq ent W h h h h h h Q h h h h 1 L térmico H Q Q t p in W m W m Q m p t W m bwr W m RENDIMENTO DO CICLO RAZÃO DE TRABALHO REVERSO Exercício 1 Considere uma usina de potência de vapor dágua que opera segundo o ciclo de Rankine simples ideal O vapor saturado entra na turbina a 8 MPa e o líquido saturado sai do condensador à pressão de 0008 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Pedese a a eficiência térmica b a razão de trabalho reverso c A vazão mássica de valor kgh d Qe MW e Qs MW f a vazão mássica de água de resfriamento no condensador kgh se a água entra no condensador a 15 ºC e sai a 35 ºC 1 bar 01 MPa Qin P1 80 MPa Estado 1 temos p1 8 MPa e vapor saturado logo da tab A3 do Moran e Shapiro Estado 2 p2 0008 MPa e usaremos a tab A3 para líquido saturado e vapor saturado s1 s2 Título a Eficiência térmica do ciclo Estado 1 temos p1 8 MPa e vapor saturado logo da tab A3 do Moran e Shapiro Estado 2 p2 0008 MPa e usaremos a tab A3 para líquido saturado e vapor saturado s1 s2 Título Estado 3 temos p3 0008 MPa e líquido saturado logo da tab A3 do Moran e Shapiro Estado 4 p4 é definido pela pressão na caldeira e pela entropia específica s4 s3 pode ser obtido por interpolação na tab de líquido comprimido mas como esses valores são relativamente escassos é mais conveniente usar a eq Substituindo os valores das prop obtidos na tab A3 temos b Razão de Trabalho Reverso bwr c Vazão mássica de vapor d Taxa de Transferência de Calor entrada e Taxa de Transferência de Calor saída f Vazão mássica de água de resfriamento Na tab A2 consideramos 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