Ciclo de Potência a Vapor com Reaquecimento e Regeneração

Agradecimento aos Profs Ubices UFSCar e Moreira EESCUSP Ciclos de Potência Vapor Ciclo Rankine Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina Ex1 Considere um ciclo de potência a vapor com reaquecimento e regeneração usando dois aquecedores de água de alimentação Vapor entra na primeira turbina a 80 MPa 480 oC e se expande até 07 MPa O vapor é reaquecido até 440 oC antes de entrar na segunda turbina onde se expande até a pressão do condensador de 0008 MPa Vapor é extraído da primeira turbina a 2 MPa e alimenta o segundo aquecedor fechado da água de alimentação Água de alimentação deixa o aquecedor fechado a 205 oC e 80 MPa e condensado sai como líquido saturado a 2 MPa O condensado é injetado no aquecedor aberto da água de alimentação Vapor extraído da segunda turbina a 03 MPa é também injetado no aquecedor aberto que opera a 03 MPa Do aquecedor aberto sai líquido saturado a 03 MPa A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW Determine a eficiência térmica do ciclo e a vazão mássica de vapor entrando na turbina T4 440C 4 1 y 3 T1 480C y Closed heater 20 MPa T11 205C 12 1 Pump 2 11 Open heater 03 MPa 8 13 Trap y Pump 1 7 6 T4 440C 4 1 y 3 T1 480C y Closed heater 20 MPa T11 205C 12 1 Pump 2 11 Open heater 03 MPa 8 13 Trap y Pump 1 7 6 80 MPa 2 12 10 07 MPa 3 03 MPa 5 0008 MPa Estado 1 vapor superaquecido P1 80 MPa T1 480 oC h1 33484 kJkg s1 66586 kJkgK Estado 2 P2 20 MPa s2 s1 66586 kJkgK sv2 63409 kJkgK vapor superaquecido h2 29635 kJkg Estado 3 P3 07 MPa s3 s1 66586 kJkgK sv3 67080 vapor saturado úmido 0 9895 19922 708 6 19922 6586 6 3 3 3 3 3 l v l s s s s x kJ kg x h h h lv l 27418 0 9895 2066 3 69722 3 3 3 3 Temp C Press bar Specific Volume m³kg Internal Energy kJkg Enthalpy kJkg Entropy kJkgK Temp C 0001 000611 10001 206136 1677 25014 25014 91562 4 000813 10001 157232 1687 24919 25001 90514 Estado 4 vapor superaquecido P4 07 MPa T4 440 oC h4 33533 kJkg s4 77571 kJkgK Estado 5 P5 03 MPa s5 s4 77571 kJkgK sv4 69919 vapor superaquecido h5 31015 kJkg Estado 6 P6 0008 MPa s6 s4 77571 kJkgK sv6 82287 kJkgK vapor saturado úmido x6 09382 Estado 7 líquido saturado P7 0008 MPa h7 17388 kJkg v7 10084x103 m3kg Estado 8 liquido comprimido P8 03 MPa 1 1 Explicação usando outros valores Estado 9 líquido saturado P9 03 MPa h9 56147 kJkg v9 10732x103 m3kg Estado 10 líquido comprimido P10 80 MPa Estado 11 h11 hlT205 C vlT205 CP11 Psat T205 C h11 8751 1164680 173 8824 kJkg ou tirado diretamente da tabela de líquido comprimido Estado 12 P12 20 MPa h12 hl 90879 kJkg 2 2 Somente quando o termo sublinhado for pequeno 2 As prop não variam significativamente para uma mesma temperatura 2 As prop não variam significativamente para uma mesma temperatura T4 440C Balanço no aquecedor fechado 0 11 10 12 2 h h y h h y 01522 90879 5 2963 56973 4 882 12 2 10 11 h h h h y 1 2 m m y também T1 480C No trocador de calor aberto 1 5 m m y T11 205C Trabalho na primeira turbina Trabalho na segunda turbina 20 MPa Trabalho na bomba 1 Trabalho na bomba 2 03 MPa Calor transferido pela caldeira Eficiência térmica do ciclo 0008 MPa Vazão mássica de vapor que entra na primeira turbina 80 MPa üINTRODUÇÃO Vamos supor que em uma determinada indústria precisamos de calor vapor aquecido para um processo industrial aquecimento A priori uma configuração para este processo poderia ser dado pelo esquema abaixo O calor fornecido para a turbina p o d erá ad vir d a q u e i m a d e qualquer combustível ou até do uso de uma resistência elétrica Entretanto perceba que durante a queima a temperatura será alta muitas vezes superiores a temperatura do p r o c e s s o i n d u s t r i a l n e c e s s á r i o Exergerticamente esta energia tem um alto valor para ser usado somente como fonte de transferência de calor 6001400ºC 200300ºC 07 MPa üINTRODUÇÃO Como temos uma energia de alta qualidade alta exergia podemos utilizar parte dela para produção de trabalho e posteriormente em um grau menor de qualidade baixa exergia ela poderia ser encaminhada para a unidade de processamento da seguinte forma 6001400ºC 800ºC 200300ºC Perceba que agora podemos utilizar parte da energia para transformala em trabalho e na saída da turbina um fluido com menor exergia é utilizada para a unidade de processamento térmico Observação O único inconveniente do esquema ao lado é que ele não é prático para ajuste das variações de potência e carga térmica 3 COGERAÇÃO üO que é A Cogeração é definida como um processo de produção e utilização combinada de calor e eletricidade Trabalho proporcionando o aproveitamento de mais de 70 da energia térmica proveniente dos combustíveis utilizados nesse processo Fator de utilização 1 liq fornecido proc fornecido sai u entrada caldeira entrada caldeira W Q Q Q Q Para as usinas de cogeração é mais conveniente utilizar FATOR DE UTILIZAÇÃO do que a eficiência térmica aprendida anteriormente Usina de Cogeração ideal üExemplo de Cogeração com ciclo de Rankine 7 MPa üExemplo de ciclo combinado RankineBrayton Bomba Ciclo Brayton Ciclo Rankine 500C üExemplo de ciclo combinado RankineBrayton 500 kPa üTabela ilustrativa de diversos ciclos térmicos e suas eficiências térmicas e fator de utilização para cogeração e ciclo combinado Motores de combustão interna Ciclo a vapor Turbinas a gás CUIDADO Estes são valores típicos dos ciclos idealizados no caso real estes valores são menores Entrentanto para comparação servem de exemplo 5 kPa 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