Ciclo de Rankine - Análise e Diagramas Termodinâmicos

CENTRO UNIVERSITÁRIO RITTER DOS REIS FACULDADE DE ENGENHARIA DISCIPLINA DE MÁQUINAS TÉRMICAS Máquinas Térmicas CICLOS TERMODINÂMICOS CICLO DE RANKINE Prof MSc Eng J V Vares CICLOS TERMODINÂMICOS Ciclo RANKINE é o CICLO IDEAL PADRÃO para os ciclos de potência a vapor CICLO RANKINE É o ideal para ciclos em que o fluido de trabalho sofre mudança de fase Formado por 4 processos em regime permanente 2 processos adiabáticos 2 processos isobáricos CICLO RANKINE 12 compressão adiabática reversível 23 recebimento de calor isobárico 34 expansão adiabática reversível 41 rejeição de calor isobárica Exemplo Determine a T da água no seguinte estado p 05 MPa h 2890 kJkg Prof João Vares Tabela B12 Água saturada tabela em função da pressão Pressão kPa Temp C Volume específico m3kg Energia interna kJkg Entalpia kJkg Entropia kJkg K Líquido sat Vapor sat Líquido sat Evap Vapor sat Líquido sat Evap Vapor sat Líquido sat Evap Vapor sat P T vl vv ul ulv uv hl hlv hv sl slv sv 225 12400 0001064 079325 52045 201310 253356 52069 219135 271204 15705 55173 70878 250 12743 0001067 071871 53508 200214 253721 53534 218155 271689 16072 54455 70526 275 13060 0001070 065731 54857 199195 254053 54887 217242 272129 16407 53801 70208 300 13355 0001073 060582 56113 198243 254355 56145 216385 272530 16717 53201 69918 325 13630 0001076 056201 57288 197346 254634 57323 215576 272899 17005 52646 69651 350 13888 0001079 052425 58393 196498 254892 58431 214810 273240 17274 52130 69404 375 14132 0001081 049137 59438 195693 255131 59479 214079 273558 17527 51647 69174 400 14363 0001084 046246 60429 194926 255355 60473 213381 273853 17766 51193 68958 450 14793 0001088 041398 62275 193487 255762 62324 212067 274391 18206 50359 68565 500 15186 0001093 037489 63966 192157 256123 64021 210847 274867 18606 49606 68212 550 15548 0001097 034268 65530 190917 256447 65591 209704 275294 18972 48920 67892 600 15885 0001101 031567 66988 189752 256740 67054 208626 275680 19311 48289 67600 650 16201 0001104 029268 68355 188651 257006 68426 207604 276030 19627 47704 67330 700 16497 0001108 027286 69643 187607 257249 69720 206630 276350 19922 47158 67080 750 16777 0001111 025560 70862 186611 257473 70945 205689 276643 20199 46647 66846 Prof João Vares Tabela B13 Vapor dágua superaquecido P 500 kPa 15186 Sat 037489 256123 274867 68212 200 042492 264291 285537 70592 250 047436 272350 296068 72708 300 052256 280291 306420 74598 350 057012 288259 316765 76328 400 061728 296319 327183 77937 500 071093 312835 348382 80872 P 05 MPa 500 kPa h 2890 kJkg T 216 C Prof João Vares CICLO RANKINE Estados 1 Líquido saturado 2 Líquido subresfriado 3 Vapor superaquecido 4 Vapor saturado CICLO RANKINE CICLO RANKINE T2 P2 S2 T3 P3 S3 T1 P1 S1 T4 P4 S4 CICLO RANKINE P2P3 T2 P2 S2 T3 P3 S3 S2S1 S4S3 T1 P1 S1 T4 P4 S4 P1P4 CICLO RANKINE qent qsai went wsai hsai hent kJkg CICLO RANKINE Caldeira Qent m h3 h2 Turbina Wturb m h3 h4 Condensador Qsai m h4 h1 Bomba Wbomba h2 h1 m v2 p2 p1 CICLO RANKINE Rendimento η Wliq Qent Wliq Wturb Wbomb η Wturb Wbomb Qent η 1 Qsai Qent EXEMPLO Considere uma termoelétrica que opera segundo o ciclo de Rankine simples ideal O fluido entra na turbina 3 MPa e 350C e é condensado à pressão de 75 kPa Determine o rendimento do ciclo EXEMPLO η1 Qsai Qent 1 h4 h1h3 h2 TABELAS DE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS Tabela B13 continuação Vapor dágua superaquecido T m3kg v kJkg u kJkg h kJkg s kJkg K v m3kg u kJkg h kJkg s kJkg K v m3kg u kJkg h kJkg s kJkg K P 2500 kPa 22399 P 3000 k a 23390 P 4000 kPa 25040 Sat 007998 260313 280307 62574 006668 260410 280414 61869 004978 260227 280138 60700 250 008700 266255 288006 64084 007058 264400 285575 62871 300 009890 276156 300881 66437 008114 275005 299348 65389 005884 272533 296068 63614 350 010976 285184 312624 68402 009053 284366 311525 67427 006645 282665 309243 65820 400 012010 293903 323928 70147 009936 293275 323082 69211 007341 291988 321351 67689 450 013014 302543 335077 71745 010787 302038 334400 70833 008003 301013 333023 69362 500 013998 311208 346204 73233 011619 310792 345648 72337 008643 309949 344521 70900 600 015930 328799 368625 75960 013243 328503 368234 75084 009885 327906 367444 73688 700 017832 346880 391459 78435 014838 346659 391172 77571 011095 346215 390594 76198 800 019716 365530 414820 80720 016414 365358 414600 79862 012287 365011 414159 78502 900 021590 384789 438764 82853 017980 384646 438587 81999 013469 384359 438234 80647 1000 023458 404667 463312 84860 019541 404540 463163 84009 014645 404287 462865 82661 1100 025322 425152 488457 86761 021098 425033 488326 85911 015817 424796 488063 84566 1200 027185 446208 514170 88569 022652 446092 514049 87719 016987 445860 513807 86376 1300 029046 467780 540395 90291 024206 467663 540281 89442 018156 467429 540052 88099 Tabela B12 Água saturada tabela em função da pressão Volume específico m³kg Energia interna kJkg Entalpia kJkg Entropia kJkg K Pressão kPa Temp ºC Líquido sat Vapor sat Líquido sat Evap Vapor sat Líquido sat Evap Vapor sat Líquido sat Evap Vapor sat P T vl vv ul ulv uv hl hv sl slv sv 06113 001 0001000 206132 0 23753 23753 000 250130 250130 00000 91562 91562 1 698 0001000 12920802 2929 235569 238498 2929 248489 251418 01059 88697 89756 15 1303 0001001 8798013 5470 233863 239332 5470 247059 252530 01956 86322 88278 2 1750 0001001 6700385 7347 232602 239948 7347 246002 253349 02607 84629 87236 25 2108 0001002 5425385 8847 231593 240440 8847 245156 254003 03120 83311 86431 3 2408 0001003 4566502 10103 230748 240851 10103 244447 254550 03545 82231 85775 4 2896 0001004 3480015 12144 229373 241517 12144 243293 255437 04226 80520 84746 5 3288 0001005 2819251 13779 228270 242049 13779 242366 256145 04763 79187 83950 75 4029 0001008 1923775 16876 226174 243050 16877 240602 257479 05763 76751 82514 10 4581 0001010 1467355 19179 224610 243789 19181 239282 258463 06492 75010 81501 15 5397 0001014 1002218 22590 222283 244873 22591 237314 259906 07548 72536 80084 20 6006 0001017 764937 25135 220536 245671 25138 235833 260970 08319 70766 79085 25 6497 0001020 620424 27188 219121 246308 27190 234629 261819 08930 69383 78313 30 6910 0001022 522918 28918 217922 246840 28921 233607 262528 09439 68247 77686 40 7587 0001026 399345 31751 215949 247700 31755 231919 263674 10258 66441 76700 50 8133 0001030 324034 34042 214343 248385 34047 230540 264587 10910 65029 75939 75 9177 0001037 221711 39429 211239 249667 38436 227859 266296 12129 62434 74563 100 9962 0001043 169400 41733 208872 250606 41744 225802 267546 13025 60568 73593 EXEMPLO η1QsaiQent1h4h1h3h2 ESTADO 1 P175kPa LÍQ SAT h138436 kJkg v10001037 m³kg ESTADO 2 P23 mPa S2s1 WENTBOMBAV1P2P10001037 m³kg 300075 kPa 303 kJkg h2h1Wbomba3843630338739 kJkg EXEMPLO η1QsaiQent1h4h1h3h2 ESTADO 3 P33 MPa 3000 kPa T3350ºC h3311525 kJkg S367427 kJkgK ESTADO 4 P475kPa S4S3 X4 S4S1 S2VS 67427 12129 62434 0886 h4h2X4hVS 384360886127859 h4240319 kJkg EXEMPLO η 1 Qsai Qent 1 h4 h1 h3 h2 COND 240319 38436 201883 KJkg CALD 311525 38729 272786 KJkg η 1 COLD CALD 02588 26 WTURB WBOMBA WLIQ RESULTADO RESULTADO CUSTO η WLIQ QENTR CALDÍFERA EXEMPLO η 1 Qsai Qent 1 h4 h1 h3 h2 WBOMBA 303 KJkg WTURBINA h3 h4 311525 240319 71206 KJkg WLIQ WTURB WBOMBA 70303 KJkg η WLIQ 272786 02588 26 WLIQ QOUT QSAI CALD COND EXEMPLO Qual o máximo rendimento que esse ciclo pode atingir 350ºC TMAX 8177ºC TMIN TK TC 27315 MÁXIMO TEÓRICO η CARNOT ηCARNOT 1 TMIN TMAX 1 9177 27315 350 27315 ηCARNOT 042 42 CICLO RANKINE IDEAL Compressão isentrópica bomba Fornecimento de calor a pressão constante caldeira Expansão isentrópica turbina Rejeição de calor a pressão constante condensador Aerial view of a nuclear steam power plant with cooling tower Courtesy of Carolina Power and Light Company