Introdução Aos Ciclos de Potência -2022 1

Centro de Ciências Exatas e Tecnologia BICT/Engenharia Mecânica 6º Período Máquinas Térmicas Prof. Dener Almeida Introdução aos Ciclos de Potência 01/11/2024 Máquinas Térmicas 2 MÁQUINAS TÉRMICAS Introdução aos Ciclos de Potência  Máquinas térmicas são dispositivos que transformam energia térmica em energia mecânica útil; Figura 1. Esquema de uma Máquina Térmica 01/11/2024 Máquinas de Fluxo I 3 Ciclo Fechado MÁQUINAS TÉRMICAS Introdução aos Ciclos de Potência Central Térmica a Vapor Ciclo Aberto Motor de Combustão Interna o fluido de trabalho retorna ao estado inicial os reagentes tornam-se gases de combustão 01/11/2024 Máquinas de Fluxo I 4  Ciclo ideal para um unidade motora a vapor;  É baseado em quatro processos que ocorrem em regime permanente: 1. Processo de bombeamento adiabático reversível, na bomba; 2. Transferência de calor a pressão constante, na caldeira; 3. Expansão adiabática reversível, na turbina; 4. Transferência de calor a pressão constante, no condensador. MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 5 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine Figura 2. Central Térmica a Vapor 01/11/2024 Máquinas de Fluxo I 6 MÁQUINAS TÉRMICAS Figura 3. Unidade motora simples a vapor que opera segundo um ciclo de Rankine O Ciclo de Rankine 01/11/2024 Máquinas de Fluxo I 7 O Ciclo de Rankine MÁQUINAS TÉRMICAS Figura 4. Diagrama T-S referente ao ciclo de Rankine  O ciclo de Rankine pode apresentar superaquecimento do vapor (ciclo 1-2-3’-4’-1);  As transferências de calor e o trabalho líquido podem ser representados pelas diversas áreas do diagrama T-s 01/11/2024 Máquinas de Fluxo I 8 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine  O rendimento térmico do ciclo de Rankine é dado por: (1)  O rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. 01/11/2024 Máquinas de Fluxo I 9 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 10 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Efeitos da Variação de Pressão e Temperatura Figura 5. Efeito da pressão de descarga da turbina sobre o rendimento do ciclo de Rankine 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 11 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Efeitos da Variação de Pressão e Temperatura Figura 6. Efeito do superaquecimento sobre o rendimento do ciclo Rankine 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 12 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Efeitos da Variação de Pressão e Temperatura Figura 7. Efeito da pressão na caldeira sobre o rendimento do ciclo de Rankine Temperatura máxima de vapor e pressão de saída constantes 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 13 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Efeitos da Variação de Pressão e Temperatura  De maneira resumida pode-se dizer que o rendimento do ciclo de Rankine pode ser aumentado:  Pela redução da pressão na seção de descarga da turbina;  Pelo aumento da pressão no fornecimento de calor;  Pelo superaquecimento de vapor. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 14 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Efeitos da Variação de Pressão e Temperatura  O título de vapor que deixa a turbina:  Aumenta com o superaquecimento de vapor;  Diminui pela redução da pressão no condensador e pelo aumento da pressão no fornecimento de calor; 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 15 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Com Reaquecimento Figura 8. Ciclo ideal com reaquecimento  O ciclo com reaquecimento permite a utilização de altas pressões de forma a evitar umidade excessiva nas regiões de baixa pressão na turbina. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 16 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Com Reaquecimento  Se houver metais que possibilitem um superaquecimento, o ciclo modificado não seria necessário. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 17 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 18 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo Figura 11. Ciclo regenerativo ideal 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 19 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 20 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo Figura 12. Ciclo regenerativo com aquecedor de mistura  Não é possível implantar o ciclo regenerativo ideal;  O ciclo regenerativo real envolve a extração de uma parte do vapor que escoa na turbina, após expansão parcial, e a utilização de aquecedores de água de alimentação;  O ponto significativo do ciclo regenerativo é o aumento da temperatura média no processo de fornecimento de calor. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 21 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo  Considerando um volume de controle que engloba o aquecedor de água de alimentação, a equação da conservação de massa indica que:  A fração de extração é definida por:  Assim, (2) 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 22 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo  Admitindo que não haja transferência de calor do aquecedor da água para o ambiente e considerando nulo o trabalho no volume de controle considerado, a primeira lei nos fornece: (3) (4) 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 23 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo (5) 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 24 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo Figura 13. Arranjo esquemático de um aquecedor de água de alimentação do tipo de superfície  O aquecedor de superfície é aquele no qual o vapor e a água de alimentação não se misturam;  O calor é transferido do vapor extraído à agua de alimentação;  O condensado pode ser bombeado para a tubulação de água ou removido através de um purgador. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 25 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo  A aplicação da primeira lei da termodinâmica fornece: 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 26  Portanto, a fração de extração neste tipo de aquecedor é dada por: MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 27 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Regenerativo Figura 14. Dispositivo dos aquecedores numa instalação real que utiliza aquecedores regenerativos de água de alimentação  O aquecedor de água de alimentação deaerador tem duplo objetivo: o aquecimento e a remoção de ar da água de alimentação;  Muitas instalações reais de potência apresentam a combinação de estágios de reaquecimento com vários de extração. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 28 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Afastamento dos Ciclos Reais em Relação aos Ciclos Ideais Figura 15. Diagrama temperatura-entropia que mostra o efeito das ineficiências da turbina e da bomba sobre o desempenho do ciclo  As perdas nas turbinas são associadas ao escoamento do fluido de trabalho através dos canais e palhetas da turbina;  A transferência de calor para o meio representa uma perda, porém, não significativa;  Os sistemas de controle também podem provocar uma perda na turbina 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 29 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Afastamento dos Ciclos Reais em Relação aos Ciclos Ideais  As perdas na bomba decorrem principalmente das irreversibilidades associadas ao escoamento do fluido;  A transferência de calor é uma perda secundária;  As perdas nestes dispositivos são muito menores do que aquelas relativas a operação da turbina. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 30 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Afastamento dos Ciclos Reais em Relação aos Ciclos Ideais  A perda de carga, provocada pelo atrito, e a transferência de calor ao ambiente são as perdas mais importantes nas tubulações;  Tais fatores provocam uma diminuição da disponibilidade do vapor que entra na turbina;  A perda de carga na caldeira é análoga. Figura 16. Diagrama temperatura-entropia que mostra o efeito das perdas entre a caldeira e a turbina 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 31 MÁQUINAS TÉRMICAS O Ciclo de Rankine: Afastamento dos Ciclos Reais em Relação aos Ciclos Ideais  As perdas no condensador são relativamente pequenas;  Como exemplo, pode-se citar o resfriamento abaixo da temperatura de saturação do líquido que deixa o condensador. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 32 MÁQUINAS TÉRMICAS Ciclos Padrão a ar  Muitos equipamentos dedicados a produção de trabalho utilizam gás como fluido de trabalho;  Motor automotivo  Turbina a gás convencional Motores de combustão interna  Para a análise de motores de combustão interna é vantajoso conceber ciclos fechados que se aproximam dos ciclos abertos 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 33 MÁQUINAS TÉRMICAS Ciclos Padrão a ar  Um destes ciclos fechados é denominado ciclo padrão a ar: 1. O fluido de trabalho é uma massa fixa de ar (gás perfeito); 2. O processo de combustão é substituído por um processo de transferência de calor de uma fonte externa; 3. O ciclo é completado pela transferência de calor ao meio; 4. Todos os processos são internamente reversíveis; 5. Admite-se que o ar apresenta calor específico constante. 01/11/2024 Termodinâmica Aplicada 34 MÁQUINAS TÉRMICAS Ciclos Padrão a ar: Brayton  O ciclo-padrão a ar Brayton é o ciclo ideal para a turbina a gás simples.