aula 6 vapor e ciclos...

MEC202 Termodinâmica Avançada

Universidade Federal do ABC P O S M E C

Aula 6 Vapor e ciclos combinados

MEC202


Ciclos de vapor

• Consideramos os ciclos de alimentação de vapor, em que o fluido de trabalho é alternativamente vaporizado e condensado.

• Consideramos também a geração de energia juntamente com processos de aquecimento, chamado de cogeração.


Eficiência térmica

• A busca contínua da maior eficiência térmica resultou em algumas modificações inovadoras para o ciclo básico de potência de vapor.

• Ciclos de aquecimento

• Ciclos de regeneração

• Ciclos combinados de gás-vapor e potência.


Vapor

• Vapor é o fluido de trabalho mais comumente usado em ciclos de potência deste tipo devido às suas muitas características desejáveis:

• Baixo custo

• Disponibilidade

• Alta entalpia de vaporização.


Usinas a vapor

• Centrais elétricas a vapor são comumente referidos como as centrais de carvão, centrais nucleares, ou plantas de gás natural, dependendo do tipo de combustível usado para fornecer calor para o vapor.

• No entanto, o vapor passa através do mesmo ciclo básico em todas elas.

• Todos podem ser analisados no mesma maneira.


Ciclo de Carnot aplicado ao vapor

• O ciclo de Carnot é o ciclo de operação mais eficiente entre dois limites de temperatura.

• Assim, é natural que se olhe para o ciclo de Carnot primeiro como um ciclo prospectivo ideal para centrais de energia de vapor.


Ciclo de Carnot aplicado ao vapor


Transferência isotérmica de calor

A transferência de calor isotérmica para ou de um sistema de duas fases não é difícil de conseguir na prática uma vez que a manutenção de uma pressão constante no dispositivo corrige automaticamente a temperatura no valor da saturação.

Portanto, os processos de 1-2 e 3-4 pode ser abordados em caldeiras e condensadores de reais.


Transferência isotérmica de calor

Limitando o processo de transferência de calor para sistemas de duas fases, no entanto, também limita a temperatura máxima que pode ser usado no ciclo (que tem de permanecer abaixo do valor de ponto crítico, o que é 374°C para a água).

Limitando a temperatura máxima do ciclo também limita a eficiência térmica.

Qualquer tentativa para aumentar a temperatura máxima do ciclo envolve a transferência de calor para o fluido de trabalho em uma única fase, o que não é fácil de realizar isotermicamente.


Expansão isentrópica

O processo de expansão isentrópica (processo 2-3) pode ser aproximado por uma turbina.

A turbina de vapor tem de lidar com baixa qualidade, ou seja, vapor com um elevado teor de humidade.

A incidência de gotículas de líquido sobre as pás da turbina resulta em erosão e é uma fonte principal de desgaste.

Assim, o vapor de qualidades inferiores a cerca de 90 por cento não podem ser tolerados na operação de centrais eléctricas.

Este problema poderia ser eliminado usando um fluido de trabalho que tenha uma linha de vapor saturado bem íngreme.


Compressão isentrópica

• O processo de compressão isentrópica (processo 4-1) envolve a compressão de uma mistura líquido-vapor de um líquido saturado.

• Não é fácil de controlar o processo de condensação de forma tão precisa como para se alcançar a qualidade desejada no estado 4.

• Não é tecnologicamente prático desenhar um compressor que lida com duas fases.


O CICLO DE RANKINE COMO IDEAL PARA CICLOS DE VAPOR


O ciclo de Rankine

• Muitas das dificuldades práticas associadas com o ciclo de Carnot podem ser eliminadas por sobreaquecimento do vapor na caldeira de condensação completa no condensador.

• O ciclo de Rankine é o ciclo ideal para centrais de energia de vapor.


O ciclo de Rankine

1-2 Compressão isentrópica via bombeamento.

2-3 Adição de calor a pressão constante numa caldeira.

3-4 Expansão isentrópica em uma turbina.

4-1 Rejeição de calor a pressão constante num condensador.


O ciclo de Rankine


William J. M. Rankine

Desenvolveu uma teoria completa da máquina a vapor e de todos os motores de calor.

Seus manuais de engenharia e ciência da prática foram usados por muitas décadas após a sua publicação em 1850 e 1860.

Publicou centenas de artigos e notas sobre temas de ciência e engenharia, a partir de 1840 em diante, e seus interesses eram extremamente variadas, incluindo, em sua juventude, ciência botânica teoria musical e teoria dos números, e, em seus anos de maturidade, ramos mais importantes da , matemática e engenharia.

Cantor amador, pianista e violoncelista que compunha suas próprias canções humorísticas.

William John Macquorn Rankine

(julho/1820 - dezembro/1872)


Análise Energética do Ciclo Rankine Ideal

Os quatro componentes associados com o ciclo de Rankine (a bomba, da caldeira, turbina, e no condensador), são dispositivos de fluxo contínuo.

Os quatro processos podem ser analisados como processos em regime.



• As mudanças de energia cinética e potencial do vapor normalmente são desprezíveis em relação ao trabalho e termos de transferência de calor e, portanto, geralmente negligenciadas.

• A equação de equilíbrio do fluxo de energia por unidade de massa de vapor se reduz a



A caldeira e do condensador não envolvem trabalho.

Para a bomba e a turbina assume-se como sendo isentrópicas.



A conservação da relação de energia para cada dispositivo pode ser expressa como:

Bomba (q=0):

onde



Caldeira (w=0):

Turbina (q=0):

Condensador (w=0):



A eficiência térmica do ciclo de Rankine é dada por

onde


Exemplo 1

Considere uma usina que funciona segundo o ciclo Rankine ideal.

O vapor entra na turbina a 3 MPa e 350°C e é condensado no condensador a uma pressão de 75 kPa.

Determine o rendimento térmico deste ciclo.


Exemplo 1: resolução


O CICLO DE VAPOR REAL


O mundo real...

• O ciclo de alimentação de vapor real difere do ciclo Rankine ideal, como resultado da irreversibilidades em vários componentes.

O atrito do fluido e perda de calor para o ambiente

são as duas fontes comuns de irreversibilidades.


Atrito do fluido

1. Gera queda de pressão na caldeira, o condensador, e a tubulação entre os vários componentes.

2. O vapor sai da caldeira, a uma pressão um pouco mais baixa. 3. A pressão na entrada da turbina é um pouco menor do que

na saída da caldeira devido a queda de pressão nos tubos de ligação.

4. A queda de pressão no condensador é geralmente muito pequena.

5. Para compensar estas quedas de pressão, a água tem de ser bombeada até uma pressão suficientemente mais elevada do que o ciclo ideal exige.

6. Isto requer uma bomba maior e maior trabalho de entrada para a bomba.


Perda de calor para o ambiente

• Ocorre a medida que o vapor flui através de vários componentes.

• Para manter o mesmo nível de produção de trabalho líquido, mais calor deve ser transferido para o vapor na caldeira para compensar estas perdas de calor indesejadas.

• Como resultado, a eficiência do ciclo diminui.


O ciclo de vapor real


Irreversibilidades da bomba e da turbina

• De particular importância são as irreversibilidades que ocorrem no interior da bomba e da turbina.

• Uma bomba requer uma entrada maior de trabalho, e uma turbina produz uma saída menor do trabalho como resultado do irreversibilidades.

• Sob condições ideais, o fluxo através destes dispositivos é isentrópica.


Os desvios de bombas reais e turbinas da situação isentrópica podem ser contabilizadas através da utilização de eficiências isentrópicas, definida como

Irreversibilidades da bomba e da turbina

onde os estados 2a e 4a são os estados de saída reais da bomba e da turbina, respectivamente, e 2s e 4s são os estados correspondentes para o caso isentrópica

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