Ciclo de Rankine - Termodinâmica e Máquinas Térmicas - UniRitter

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 Prof João Vares UniRitter CICLO DE POTÊNCIA A VAPOR Ciclos de potência em que o fluido de trabalho é alternadamente vaporizado e condensado 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 Formado por 4 processos em regime permanente 12 compressão adiabática reversível 23 recebimento de calor isobárico 34 expansão adiabática reversível 41 rejeição de calor isobárica CICLO RANKINE 12 compressão adiabática reversível 23 recebimento de calor isobárico 34 expansão adiabática reversível 41 rejeição de calor isobárica CICLO RANKINE Estados 1 Líquido saturado 2 Líquido subresfriado 3 Vapor superaquecido 4 Vapor saturado Exercício Considere uma central operando em ciclo Rankine em que o vapor dágua sai da caldeira 4 MPa e 673K A pressão no condensador é de 001 MPa Qual o rendimento desse ciclo térmico Considere uma central operando em ciclo Rankine em que o vapor dágua sai da caldeira 4 MPa e 673K A pressão no condensador é de 001 MPa Qual o rendimento desse ciclo térmico Bomba WB h2 h1 v dp v p2 p1 000101 4000 10 40 kJkg h1 1918 kJkg h2 WB h1 1958 kJkg Turbina WT h3 h4 107022 kJkg h3 321351 kJkg S3 67689 kJkgK S4 s4 67689 06492 x4 75040 x4 08159 h4 h3 x4 hN h1 19181 08159 233282 214328 kJkg Trabalho Líquido Wliq WT WB 107022 40 106622 kJkg Caldeira qentrada h3 h2 321351 1858 301771 kJkg Rendimento η RESULTADO CUSTO Wliq qentrada η 106622 301771 03533 ou 35 COMO AUMENTAR RENDIMENTO Prof João Vares TURBINA Efeitos da T e da p na saída TURBINA P4 P4 Wliq área 1 4 4 1 2 2 1 Prof João Vares TURBINA Tméd com que o calor é rejeitado p na saída da turbina provoca uma X do fluido Isso provoca diminuição do η da turbina e a erosão das palhetas Efeitos da T e da p na saída TURBINA Prof João Vares SUPERAQUECIMENTO Wliq aumenta área 3 3 4 4 3 Qcaldeira aumenta área 3 3 b b 3 ηciclo SUPERAQUECIMENTO Tméd com que o calor é transferido ao vapor X do vapor na saída da turbina EFEITO DA p Wliq Wliq Tmax cte pturb cte Wliq Wliq Qsai ηciclo Qsai área b 4 4 b b EFEITO DA p Tméd com que o calor é transferido ao vapor X do vapor na saída da turbina EFEITOS DE T e p p condensador p caldeira superaquecimento superaquecimento com p condensador com p caldeira COM SUPERAQUECIMENTO CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO Conseguese η com o aumento de pressão no fornecimento de calor ao ciclo caldeira Entretanto isso x que significa aumento do teor de umidade do vapor nos estágios de baixa pressão da turbina O reaquecimento visa tirar vantagem do aumento de rendimento provocado por pressões mais altas e ao mesmo tempo evitar a que a umidade seja excessiva nos estágios de baixa pressão da turbina CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO T4 P4 S4S3 P5P4 T2 P2 S2 P2P3 S2S1 V2V1 T1 P1 S1 T5 P5 S5 T3 P3 S3 S5S6 T6 P6 S6 P1P6 x10 S1V1 CICLO RANKINE Caldeira Qent m h3 h2 h5 h4 Turbina Wturb m h3 h4 h5 h6 Condensador Qsai m h1 h6 Bomba Wbomb h2 h1 m v2 p2 p1 CICLO RANKINE Rendimento η Wliq Qent Wliq Wturb Wbomb η Wturb Wbomb Qent CICLO RANKINE COM REAQUECIMENTO Suponha uma unidade de potência que opera sob o ciclo Rankine com reaquecimento e utiliza água como fluido de trabalho O vapor deixa a caldeira e entra na turbina 4MPa e 400C Após expansão até 400 kPa na turbina de alta pressão o vapor é reaquecido 400C e é expandido na turbina de baixa pressão até 10 kPa Determine o rendimento do ciclo RANKINE COM REAQUECIMENTO O vapor deixa a caldeira e entra na turbina 4MPa e 400C Após expansão até 400 kPa na turbina de alta pressão o vapor é reaquecido 400C e é expandido na turbina de baixa pressão até 10 kPa Determine o rendimento do ciclo O vapor deixa a caldeira e entra na turbina 4MPa e 400C Após expansão até 400 kPa na turbina de alta pressão o vapor é reaquecido 400C e é expandido na turbina de baixa pressão até 10 kPa Determine o rendimento do ciclo WTA h₃ h₄ S₃ s₄ h₃ 32136 kSkg S₃ 67680 k₃kgK S₃ S₄ 17766 x₄51 63 67680 X₄ 0975 h₄ h₂ x₄ h₂₀₀ h₄ 26851₉ kJkg WTA 52841 kSkg B AXA P WTB h₅ h₆ 55 56 R₅ 327341 kSkg Ss 79884 kSkgK S₆ 79884 06492 x₆75010 x₆ 09664 h₆ 1918 0366423928 h₆ 25043 kSkg WTB h₅ h₆ 76811 kSkg WT WTA WTB 12371 kSkg BOMBA wB 4 kSkg WlIQ WT WB 12331 kSkg qEntrada h₃ h₂ h₅ h₄ 3604 kJkg η WlIQqEntrada η 123313604 0358 358 CICLO RANKINE REGENERATIVO CICLO RANKINE REGENERATIVO Nessa variação temos o uso de aquecedores de água de alimentação Vamos considerar o ciclo Rankine sem superaquecimento O fluido de trabalho é aquecido enquanto permanece líquido durante o processo 22 A Tmed do fluido durante esse processo é muito inferior à do processo de vaporização 23 Isso faz que a Tmed na qual o calor é transferido ao ciclo Rankine seja menor que aquela do ciclo Carnot 12341 Assim o ηRankine é menor que o do ciclo Carnot CICLO RANKINE REGENERATIVO IDEAL O principal aspecto em comparação com o Rankine simples é que depois da bomba o líquido circula ao redor da carcaça da turbina em sentido contrário ao do vapor na turbina Assim é possível transferir o calor do vapor enquanto este escoa na turbina ao líquido que escoa ao redor da turbina CICLO RANKINE REGENERATIVO Ele NÃO é praticável Não seria possível efetuar a transferência de calor necessária do vapor na turbina para a água líquida de alimentação Além disso o teor de umidade do vapor que deixa a turbina aumenta bastante em consequência da transferência de calor CICLO RANKINE REGENERATIVO REAL Caldeira Turbina Aquecedor de água de alimentação Condensador Bomba Bomba CICLO RANKINE REGENERATIVO REAL Envolve a extração de uma parte do vapor que escoa na turbina após ter sido parcialmente expandido e a utilização de aquecedores da água de alimentação O vapor entra na turbina no estado 5 Após a expansão até o estado 6 parte do vapor é extraída e entra no aquecedor de água de alimentação O vapor não extraído expande na turbina até o estado 7 e é então condensado no condensador O líquido descarregado do condensador é bombeado para o aquecedor da água de alimentação em que ocorre a mistura com o vapor extraído da turbina CICLO RANKINE REGENERATIVO REAL A vazão de vapor extraído da turbina é suficiente para fazer com que o líquido que deixa o aquecedor de mistura esteja saturado no estado 3 O líquido ainda não foi bombeado até a pressão da caldeira mas apenas até a pressão intermediária do estado 6 Assim é necessário instalar outra bomba que transfira o líquido descarregado do aquecedor da água de alimentação para a caldeira O mais importante desse ciclo é o aumento da Tmed na qual o calor é fornecido ao fluido de trabalho Prof João Vares CICLO RANKINE REGENERATIVO REAL Suponha uma unidade de potência que opera sob o ciclo Rankine regenerativo e utiliza água como fluido de trabalho O vapor deixa a caldeira e entra na turbina 4MPa e 400C Após expansão até 400 kPa uma parcela do vapor é extraída da turbina e direcionada para um aquecedor A pressão no aquecedor é 400 kPa e na saída temos líquido saturado O vapor não extraído é expandido na turbina até 10 kPa Determine o rendimento do ciclo hs 32136 kJkg hf 26856 kJkg hv 21441 kJkg hi 1918 kJkg Wbomba1 04 kJkg Wbomba2 39 kJkg Wturbina 99799 kJkg Qentrada 2605 kJkg nina375