MOTORES TÉRMICOS

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 3-7 – SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR

Modelando Sistemas de Potência a Vapor◦A grande maioria dasinstalações elétricas degeração consiste emvariações das instalaçõesde potência a vapor nasquais a água é o fluidode trabalho.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine

◦O ciclo Rankine modelaos ciclos de geração depotência a vapor,apresentado na figuracomo A.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine

◦O ciclo Rankine é compostofundamentalmente por quatrocomponentes:◦ Caldeira (aquecedor);

◦ Turbina;

◦ Condensador;

◦ Bomba.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Turbina◦O vapor entra no estado 1, tendo umapressão e temperatura elevadas, seexpande através da turbina para produzirtrabalho e então é descarregado nocondensador no estado 2.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Condensador◦No condensador há transferência de calordo vapor para a água de arrefecimentoescoando em uma corrente separada. Ovapor é condensado e a temperatura daágua de arrefecimento aumenta.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Bomba◦O líquido condensado que deixa ocondensador em 3 é bombeado docondensador para a caldeira a uma pressãomais elevada.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Caldeira◦O fluido de trabalho completa o cicloquando o fluido de trabalho que deixa abomba em 4 é aquecido até a saturação eevaporado na caldeira.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho◦Eficiência Térmica:◦ A eficiência térmica mede o percentual através

do qual a energia fornecida ao fluido detrabalho é convertida em trabalho líquidodisponível.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho◦Eficiência Térmica:◦ Em um ciclo fechado o trabalho líquido é igual

ao calor líquido fornecido. Assim, a eficiênciatérmica pode ser expressa alternativamentecomo:

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho◦Taxa de Calor:◦ É a quantidade de energia adicionada ao ciclo

por transferência de calor para produzir umaunidade de trabalho disponível (Btu/KWh).

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho◦Razão de Trabalho Reverso (bwr):◦ É definido como a razão entre o trabalho

entregue a bomba e o trabalho desenvolvidopela turbina.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine Ideal◦Se o fluido de trabalho passa através de

vários componentes do ciclo simples depotência a vapor sem irreversibilidades, asquedas de pressão devidas ao atritoestariam ausentes na caldeira e nocondensador.

◦Também na ausência de irreversibilidadese trocas de calor para a visinhaças, osprocessos através da turbina e bombaseriam isentrópicos.

◦Um ciclo que segue estas idealizações é ociclo de Rankine Ideal.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine Ideal◦Processos do ciclo Rankine Ideal:◦ Processo 1-2: Expansão isentrópica;

◦ Processo 2-3: Transferência de calor dofluido de trabalho à medida que ele escoa apressão constante (isobárica);

◦ Processo 3-4: Compressão isentrópica;

◦ Processo 4-1: Transferência de calor para ofluido de trabalho à medida que ele escoa apressão constante (isobárica).

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.1◦Vapor d’água é o fluido de trabalho em um ciclo Rankine ideal. Vapor

saturado entra na turbina a 8MPa, e líquido saturado deixa ocondensador a uma pressão de 0,008MPa. A potência líquidadesenvolvida pelo ciclo é 100MW. Determine, para o ciclo:◦ A) A eficiência térmica.◦ B) A razão de trabalho reversa.◦ C) A vazão em massa Kg/h.◦ D) O calor absorvido na caldeira.◦ E) O calor retirado no condensador.◦ F) A vazão mássica de água de arrefecimento do condensador, em Kg/h, se a água entra no

condensador a 15°C e sai a 35°C.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.1

◦ A) A eficiência térmica.

◦ B) A razão de trabalho reversa.

◦ C) A vazão em massa Kg/h.

◦ D) O calor absorvido na caldeira.

◦ E) O calor retirado no condensador.

◦ F) A vazão mássica de água dearrefecimento do condensador, emKg/h, se a água entra no condensadora 15°C e sai a 35°C.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador◦Pode-se obter uma expressão para a eficiência térmica emtermos de temperaturas médias durante os processos deinteração térmica:

◦Para o aquecimento (caldeira):

◦Para o resfriamento (condensador):

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador◦A eficiência térmica do ciclo de Rankine ideal pode ser escrita emfunção das transferência de calor como:

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador◦Concluímos que a eficiência térmica dociclo ideal tende a aumentar à medidaque a temperatura média na qual aenergia é adicionada por transferênciade calor aumenta e/ou a temperatura naqual a energia é rejeitada diminui

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador◦A figura mostra dois ciclos com a mesmapressão no condensador, mas pressõesdiferentes na caldeira.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador◦A figura mostra dois ciclos com a mesmapressão na caldeira, mas pressõesdiferentes no condensador.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot◦As equações abaixo mostram ocálculo da eficiência térmica dociclo de Carnot e do ciclo RankineIdeal.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot◦O ciclo Rankine Ideal diverge do cilo deCarnot em principalmente dois pontos:◦A primeira parte do processo de

aquecimento do ciclo de Rankine mostrado(4-4’) é obtido pelo resfriamento dosprodutos de combustão abaixo datemperatura máxima TH. Com o ciclo deCarnot, contudo, os produtos de combustãoseriam resfriados até TH.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot◦O ciclo Rankine Ideal diverge do cilo deCarnot em principalmente dois pontos:◦A segunda deficiência envolve o processos

de bombeamento. Observe que no estado 3’existe uma mistura de líquido e vapor, o quegera uma complicação no bombeamento.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais◦As irreversibilidade estão presentesem cada um dos componentes queintegram o ciclo, bem como nastubulações que os interligam.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais◦Turbina: A principal irreversibilidadedo fluido de trabalho está associadaà expansão na turbina. Isto é devido,principalmente, aos processosinternos de expansão nas pás. Aeficiência isentrópica permite levarem conta o efeito dasirreversibilidades na turbina:

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais◦Bomba: O trabalho necessáriofornecido à bomba para vencer osefeitos de atrito interno tambémreduz a potência líquida disponível.Desta forma, o trabalho fornecido aosistema é maior que o necessário,caso não houvesse irreversibilidadesna bomba.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais◦Outros desvios das idealizações: Asirreversibilidades da turbina e dabomba, são denominadasirreversibilidades internas. Porém, asfontes de irreversibilidades maissignificativas para uma instalação depotência a vapor estão associadasaos sistemas externos.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais◦Outros desvios das idealizações:◦A principal irreversibilidade está

associada a combustão do combustívele a transferência de calor posterior dosprodutos de combustão para o fluidode trabalho.

◦Outras irreversibilidades estãoassociadas as perdas de calor pelascarcaças dos componentes quentes dosistema e as perdas de carga nastubulações.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais◦Outros desvios das idealizações:

◦Um outro efeito é verificado noestado 3. Neste caso, a temperaturado fluido de trabalho que sai docondensador seria menor que atemperatura de saturação, o queaumentaria a quantidade de calornecessário na caldeira.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.2◦ Reconsidere o ciclo de potência de vapor do Exemplo

8.1, mas inclua na análise que a turbina e a bombapossuem uma eficiência isentrópica de 85%, cadauma. Determinar para o ciclo modificado:◦ (a) o rendimento térmico.◦ (b) a vazão mássica de vapor, em kg/h para uma potência

útil líquida de 100 MW.◦ (c) a taxa de transferência de calor para o fluido de trabalho

à medida que passa através da caldeira, em MW◦ (d) a taxa de transferência de calor do vapor de

condensação à medida que passa através do condensador,em MW

◦ (e) o fluxo de massa da água de arrefecimento docondensador, em kg/h, se a água de arrefecimento entrar nocondensador a 15 ° C e sair a 35 °C.

Prof.: Kaio Dutra

Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.2

◦ (a) o rendimento térmico.◦ (b) a vazão mássica de vapor, em kg/h para uma

potência útil líquida de 100 MW.◦ (c) a taxa de transferência de calor para o fluido de

trabalho à medida que passa através da caldeira,em MW

◦ (d) a taxa de transferência de calor do vapor decondensação à medida que passa através docondensador, em MW

◦ (e) o fluxo de massa da água de arrefecimento docondensador, em kg/h, se a água de arrefecimentoentrar no condensador a 15 ° C e sair a 35 °C.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoSuperaquecimento

◦ Como não estamos restritos a ter vaporsaturado na entrada da turbina, uma energiaadicional pode ser somada elevando o vapor aníveis acima de sua saturação.

◦ Como pode ser verificado, na figura, osuperaquecimento eleva a temperatura médiade adição de calor, elevando sua eficiênciatérmica.

◦ Com superaquecimento, o estado na exaustãoda turbina pode cair na região de vaporsuperaquecido.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoReaquecimento

◦Com o reaquecimento, umainstalação de potência podetirar vantagem do aumentode eficiência que resulta depressões maiores e aindaevita um título baixo devapor na exaustão daturbina.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoReaquecimento

◦Neste caso, não é evidente oaumento de eficiência dociclo, pois, embora existaum aumento do trabalhogerado na turbina, existetambém um aumento daenergia adicionada ao ciclopara reaquecer o vapor.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoCiclo Supercrítico

◦Neste caso, o ciclo opera com pressõesextremamente elevadas, necessitantetambém de um aporte maior de calor dogerador de vapor.

◦Esta operação ainda possui várias limitaçõesde engenharia, no que se refere aslimitações metalúrgicas da turbina e naresistência das tubulações.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoExemplo 8.3

◦Vapor de água é o fluido de trabalhoem um ciclo Rankine ideal comsuperaquecimento e reaquecimento.Para os estados termodinâmicosapresentados na figura, determine:◦ A eficiência do ciclo;◦ A vazão mássica do vapor d’água, em

kg/h;◦ A quantidade de calor removida no

condensador.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoExemplo 8.3

◦ A eficiência do ciclo;

◦ A vazão mássica do vapord’água, em kg/h;

◦ A quantidade de calorremovida no condensador.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoRegeneração

◦A regeneração consiste noauxílio do aquecimento daágua de alimentação dacaldeira através dautilização de parte dovapor que passa pelaturbina. Isto reduz aquantidade de calornecessário paraaquecimento do sistema.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoRegeneração

◦No ciclo regenerativo não éevidente que a eficiência iráaumentar, embora existauma redução da energia deentrada no sistema, tambémexiste uma redução dotrabalho gerado na turbina.

◦Se a redução na turbina formenor que a redução decalor injetado no sistema,teremos um aumento daeficiência.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoRegeneração – Alimentação Aberta

◦Neste caso o vaporsangrado da turbina entraem contato direto com aágua de alimentação quesaí da primeira turbina.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoRegeneração – Alimentação Fechada

◦Neste caso o vaporsangrado da turbina nãoentra em contato com aágua que vem da bomba.Este cede calor, passa poruma válvula e éencaminhado para ocondensador.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoRegeneração – Múltiplos

◦ A eficiência térmica pode seraumentada pela incorporação devários regeneradores. O númerode regeneradores é baseado emconsiderações econômicas, jáque o aumentos estão alinhadoscom o aumento de equipamentoscomo o trocadores de calor,bombas e tubulações.

◦ Nestes casos é muito comum terpelo menos um regeneradoraberto (desaerador) responsávelpela remoção de oxigênio eoutros gases dissolvidos.

Prof.: Kaio Dutra

Melhorando o DesempenhoExemplo 8.5

◦ Considere um ciclo de potênciaa vapor regenerativo com umaquecedor de água dealimentação aberto. Para osparâmetros apresentados nafigura, considere que a turbinapossui um eficiênciaisentrópica de 0,85 e umtrabalho líquido de 100MW,determine:◦ A eficiência do ciclo;◦ A vazão de massa do vapor que

entra no primeiro estágio daturbina.

Prof.: Kaio Dutra

Outros Aspectos do Ciclo a VaporCaracterísticas do Fluido de Trabalho

◦A água é usada como fluido de trabalho na grande maioria dossistemas a vapor porque é abundante e de baixo custo, nãotóxica, quimicamente estável e possui variação de entalpiarelativamente grande quando se vaporiza.

◦As propriedades da água são tais que as razões de trabalhoreverso são pequenas e as técnicas de superaquecimento,reaquecimento e regeneração podem ser capazes de aumentar aeficiência do ciclo.

Prof.: Kaio Dutra

Outros Aspectos do Ciclo a VaporCaracterísticas do Fluido de Trabalho

◦A água é insatisfatória com relação a sua temperatura crítica(374,14°C) que cerca de 225°C abaixo das temperaturas máximasadmissíveis na entrada de um turbina. Desta forma para atingirtemperaturas médias elevadas é necessário a operação em níveis depressão muito elevadas.

◦Outra característica indesejável da água é a de que sua pressão desaturação a temperaturas comum do condensador é bem abaixo dapressão atmosférica. Como resultado, pode entrar ar no sistema.

◦Ciclos que operam com temperaturas baixas podem ter umdesempenho melhor com um refrigerante como amônia.

Prof.: Kaio Dutra

Outros Aspectos do Ciclo a VaporCiclo de Vapor Binário

◦Em um ciclo de vaporbinário dois fluidos detrabalho são usados, umcom boas características aaltas temperaturas e outrocom boas características abaixa temperatura.

Prof.: Kaio Dutra

Outros Aspectos do Ciclo a VaporCo-geração

◦A co-geração consiste na estratégia de múltiplos usos do sistema,o que pode gerar aumento de sus eficiência.

◦Produtos de combustão oriundos de processos industriais, queseriam descartados em um chaminé, podem ser utilizados paraprodução de vapor e geração de energia elétrica.

◦Bem como o calor rejeitado em um condensador, pode serutilizado para aquecimento de produtos químicos ou mesmo deágua para outros processos.

Prof.: Kaio Dutra

Outros Aspectos do Ciclo a VaporCo-geração

◦A figura mostra um exemplosimples de uma planta queutiliza parte de seu vapor geradopara um processos interno, queseria desde a sua utilização emmáquinas como para processos.

Prof.: Kaio Dutra