aula 7-ciclo rankine

Aula 11 Ciclo Rankine

TERMODINMICA APLICADA BC 1309

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Santo Andr 2013

Aula 07 Ciclo Termodinmico a Vapor Ciclo Rankine

BC 1309 - Termodinmica Aplicada -

Marcelo Modesto

Ciclo Rankine Definio

Diagrama T-s para o Ciclo Rankine;

Balanos de massa e energia para um Ciclo Rankine;

Parmetros principais de operao;

Ciclo Rankine com Reaquecimento;

Ciclo Rankine Regenerativo

Gerador de Vapor

Turbina a vapor

Bomba

Condensador

Ciclo Rankine Ideal

3

1

2

4

WT

WB

QL

QH

BC 1309 - Termodinmica Aplicada - Marcelo Modesto


Marcelo Modesto

Ciclo Rankine Ideal Diagrama T-s

T

s

1

23

4


Marcelo Modesto

Ciclo Rankine Diagrama T-s

T

s

1

23

4

QH


Marcelo Modesto

T

s

1

23

4

QL



Marcelo Modesto

T

s

1

23

4

W



Marcelo Modesto

Ciclo Rankine Ideal Balanos de Massa e Energia

Equao de Conservao da Massa:

Equao de Conservao da Energia (1 Lei da Termodinmica):

dt

dmmm vc

n

1i

s

n

1i

e ===

&&

dt

dEgz

2

Vhmgz

2

VhmWQ vc

n

1i

s

2

sss

n

1i

e

2

eeevcvc =

++

+++

==

&&&&

Hipteses adotadas:

Regime permanente;

Variao nula de energia cintica e potencial;


Marcelo Modesto


Para cada equipamento temos:

Gerador de Vapor (Caldeira):

0hmhmQ 1144H =+ &&&

0mm 14 = &&

Turbina a Vapor

0hmhmW 2211T =+ &&&

0mm 21 = &&

Condensador

0hmhmQ 3322L =+ &&

0mm 32 = &&

Bomba

0hmhmW 4433b =+ &&&

0mm 43 = &&


Marcelo Modesto


Assim, possvel definir a eficincia de um ciclo de Rankine Ideal

HQ

W&

=

Onde:

bT WWW =

PCImQ cH &=

PCI: poder calorfico inferior do combustvel (kJ/kg)

mc : vazo mssica de combustvel (kg/s)


Marcelo Modesto

T

s

Pc

Diminuio da Presso no Condensador

Parmetros de Operao - Ciclo Rankine Ideal


Diminuio da Presso do Condensador (Influncia na Eficincia do Ciclo)

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

0,250

0,255

0,260

0,265

0,270

0,275

0,280e

f

i

c

i

n

c

i

a

d

e

1

L

e

i

(

%

)

presso no condensador (bar)


Diminuio da Presso do Condensador (Influncia na Potncia Lquida do Ciclo)

0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

900

925

950

975

1000t

r

a

b

a

l

h

o

e

s

p

e

c

f

i

c

o

(

k

W

/

k

g

)

presso no condensador (bar)


Marcelo Modesto

T

s

Pg

Pc

Aumento da Temperatura no Gerador de Vapor (Caldeira)



Aumento na Temperatura de Gerao do Vapor(Influncia na Eficincia do Ciclo)

0,250

0,255

0,260

0,265

0,270

0,275

0,280

0,285

400 425 450 475 500 525 550 575 600 625

temperatura vapor (C)

E

f

i

c

i

n

c

i

a

d

e

1

L

e

i

(

%

)


Aumento na Temperatura de Gerao do Vapor(Influncia na Potncia Lquida do Ciclo)

400 425 450 475 500 525 550 575 600 625

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

t

r

a

b

a

l

h

o

e

s

p

e

c

f

i

c

o

(

k

J

/

k

g

)

temperatura vapor (C)


Marcelo Modesto


T

s

Pg

Pc

Aumento da Presso do Gerador de Vapor (Caldeira)

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30e

f

i

c

i

n

c

i

a

d

e

1

L

e

i

(

%

)

presso vapor (bar)


Aumento da Presso do Gerador de Vapor (Influncia na Eficincia do Ciclo)


Aumento da Presso do Gerador de Vapor (Influncia na Potncia Lquida do Ciclo)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

725

750

775

800

825

850

875

900

925

950

975T

r

a

b

a

l

h

o

e

s

p

e

c

i

f

i

c

o

(

k

W

/

k

g

)

presso vapor (bar)

Ciclo Rankine com Reaquecimento

3

1

2

4

WT2

WB

QLQH=mcPCI


WT1

Ciclo Rankine Regenerativo

3

1

2

4

WT

WB

QLQH=mcPCI


Trocador de Calor

Wang et al. 2012


Marcelo Modesto

Ciclo Rankine Real

T

s

1

23

4

Perda de presso no ger. de vapor

Perda de presso no condensador

Irreversibilidade

gerada na turbina

Irreversibilidade

gerada na bomba


Marcelo Modesto

Exemplos

1) Considere uma usina de potncia a vapor de gua operando segundo um

ciclo de Rankine ideal. O vapor entra na turbina a 5 MPa e 350 C e

condensado no condensador presso de 75 kPa. Determine a eficincia trmica

desse ciclo. (0,2867)

2) Considere uma usina a vapor de gua operando segundo o ciclo de Rankine

ideal. Vapor entra na turbina a 5 MPa e 450C e o condensador opera a 10 kPa.

Determine (a) a eficincia trmica dessa usina; b) a eficincia trmica se o vapor

for superaquecido a 600 C em vez de 450C, e c) a eficincia trmica se a

presso da caldeira for elevada at 15 MPa enquanto a temperatura na entrada

da turbina mantida a 600C. (a) 0,3692; b) 0,3924; c) 0,4303)

3) Utilizando os dados do exemplo 1, qual seria a eficincia trmica desse ciclo

se as eficincias isentrpicas da bomba e da turbina fossem 60% e 85%,

respectivamente. (0,2545)


Exemplos4) Considere o ciclo de potncia de Rankine que usa amnia, como mostrado na figura

abaixo. Propem usar esse ciclo para operar, aproveitando a diferena de temperatura da

gua do oceano, que est a 25C prxima superfcie e a 5C a uma profundidade maior

e a vazo de amnia de 1000 kg/s. a) determinar a potncia desenvolvida pela turbina e

a potncia necessria na bomba, nesse ciclo de amnia; b) determinar a vazo em massa

atravs de cada trocador de calor; c) qual o rendimento trmico desse ciclo ? Dados:

Ponto 1: T1=20C (vapor saturado) e Ponto 3: T3 = 10C (lquido saturado) (R. a) 33400kW; -484 kW; b) 142747 kg/s; 147324 kg/s; c) 0,027)

BC 1309 - Termodinmica Aplicada - Marcelo

Modesto

Exemplos

5) Deseja-se estudar a influncia do nmero de aquecedores da gua de alimentao de

mistura sobre o rendimento trmico de um ciclo, no qual o vapor de gua sai do gerador

de vapor a 20 MPa e 600C e que apresenta uma presso no condensador de 10 kPa.

Admitir que so utilizados aquecedores de gua de alimentao de contato direto.

Determinar o rendimento trmico para um dos ciclos: a) sem aquecedor de gua de

alimentao; b) um aquecedor que opera a 1 MPa; c) Dois aquecedores de gua de

alimentao, um operador a 3 MPa e o outro a 0,2 MPa. (R. a) 0,438; b) 0,473; c) 0,488)

6) Num dado reator de uma central nuclear, calor transferido do sdio lquido. O sldio

lquido ento bombeado para um trocador de calor, onde o calor transferido gua em

processo de ebulio. Vapor de gua saturado a 5MPa sai desse trocador de calor e

ento superaquecido at 600C, em um superaquecedor externo a gs. O vapor de gua

entra ento na turbina, que apresenta uma extrao a 0,4 Mpa para um aquecedor de

gua de alimentao de mistura. A eficincia isentrpica da turbina de 87% e a presso

no condensador 7,5 kPa. Determinar o calor trocador no reator nuclear e no

superaquecedor para produzir uma potncia lquida de 1MW . (R. 1,933 MW; 0,746 MW)

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