aula_7_rankine_01_04_2010[1]x

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  Profa Profa Profa Profa. Dra. Ana . Dra. Ana . Dra. Ana . Dra. Ana Maria Pereira Neto Maria Pereira Neto Maria Pereira Neto Maria Pereira Neto [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Catequese, 5º Andar Catequese, 5º Andar Catequese, 5º Andar Catequese, 5º Andar  BC1309 BC1309 T ermodinâ mica Aplicada T ermodinâ mica Aplicada  BC1309 BC1309 T ermodinâ mica Aplicada T ermodinâ mica Aplicada Ciclos de Potência a Vapor Ciclos de Potência a Vapor  Ciclos de Potência a Vapor Ciclos de Potência a Vapor BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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07/04/2010

1

Universidade Federal do ABC

Profa Profa Profa Profa. Dra. Ana . Dra. Ana . Dra. Ana . Dra. Ana Maria Pereira Neto Maria Pereira Neto Maria Pereira Neto Maria Pereira Neto 

[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] 

Catequese, 5º Andar Catequese, 5º Andar Catequese, 5º Andar Catequese, 5º Andar 

 

BC1309BC1309

Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada

 

BC1309BC1309

Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada

Ciclos de Potência a VaporCiclos de Potência a Vapor

 

Ciclos de Potência a VaporCiclos de Potência a Vapor

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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Ciclos de Potência a VaporCiclos de Potência a Vapor

 

Ciclos de Potência a VaporCiclos de Potência a Vapor

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Ciclo RankineCiclo Rankine -- Definição;Definição;

Diagrama TDiagrama T--s para o Ciclo Rankine;s para o Ciclo Rankine;

Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Rankine;Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Rankine;

Parâmetros Principais de Operação;Parâmetros Principais de Operação;

Ciclo Rankine com Reaquecimento;Ciclo Rankine com Reaquecimento;

Ciclo Rankine Regenerativo.Ciclo Rankine Regenerativo.

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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É o ciclo ideal das usinas de potência a vapor.

Não envolve nenhuma irreversibilidade interna.

Consiste em quatro processos:

Compressão isoentrópica em uma bomba;

Fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira;

Expansão isoentrópica em uma turbina;

Rejeição de calor a pressão constante em um condensador.

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Gerador de VaporGerador de Vapor

Turbina a vaporTurbina a vapor

BombaBomba

CondensadorCondensador

33

11

22

44

WWTT

WWBB

(combustível)(combustível)

QQLL

QQHH == mmccPCIPCI

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Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

A água entra na bomba no estado 3

como líquido saturado.

É comprimida de maneira isoentrópica

até a pressão de operação da caldeira.

A água entra na caldeira como líquido comprimido (estado 4) e sai como

vapor superaquecido (estado 1).

O vapor d’água superaquecido entra na turbina, onde ocorre a expansão

isoentrópica e produção de trabalho.

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Calor é rejeitado para um meio de resfriamento (lago, rio, atmosfera).

Água deixa o condensador como líquido saturado (estado 3) e entra na

bomba completando o ciclo.

Nesse processo, a pressão e a

temperatura caem até os valores do

estado 2, no qual o vapor (mistura) entra

no condensador.

O vapor é condensado a pressão

constante.

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Diagrama TDiagrama T--ss

 

Diagrama TDiagrama T--ss

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

TT

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto ss

11

2233

44

qqee

qqss

wwbombabomba, e, e

 

wwturbinaturbina, s, s

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TT

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto ss

11

2233

44

WW

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

TT

ss

11

2233

44

QQHH

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TT

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal – – Diagrama TDiagrama T--ss

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto ss

11

2233

44

QQLL

Balanço de Massa e de EnergiaBalanço de Massa e de Energia

 

Balanço de Massa e de EnergiaBalanço de Massa e de Energia

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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8

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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 =

 

 

 

 ++−

 

 

 

 +++− ∑∑

==

&&&&

HipótesesHipóteses adotadasadotadas::

RegimeRegime permanentepermanente;;

VariaçãoVariação nulanula dede energiaenergia cinéticacinética ee potencialpotencial..

Equação de conservação da massa:

Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica):

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

0mm se =− &&

0hmhmWQ sseevcvc =−+− &&&&

Equação de conservação da massa:

Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica):

essese hh)ww()qq( −=−+− &&&&

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Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Gerador de VaporGerador de Vapor

11

44

(combustível)(combustível)

QQHH == mmccPCIPCI

GeradorGerador dede VaporVapor (Caldeira)(Caldeira)::

0hmhmQ 1144H =−+ &&&

0mm 14 =− &&

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Turbina a vaporTurbina a vapor11

22

WWTT

TurbinaTurbina aa VaporVapor

0hmhmW 2211T =−+−&&&

0mm 21 =− &&

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Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

CondensadorCondensador

33

22

QQLL

CondensadorCondensador

0hmhmQ 3322L =−+ &&

0mm 32 =− &&

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

BombaBomba

3344WWBB

BombaBomba

0hmhmW 4433b =−+−&&&

0mm 43 =− &&

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Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Gerador de VaporGerador de Vapor

Turbina a vaporTurbina a vapor

BombaBomba

CondensadorCondensador

33

11

22

44

WWTT

WWBB

(combustível)(combustível)

QQLLQQHH == mmccPCIPCI

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Para cada equipamento, temos:

GeradorGerador dede VaporVapor (Caldeira)(Caldeira)::

0hmhmQ 1144H =−+ &&&

0mm 14 =− &&

TurbinaTurbina aa VaporVapor

0hmhmW 2211T =−+− &&&

0mm 21 =− &&

CondensadorCondensador

0hmhmQ 3322L =−+ &&

0mm 32 =− &&

BombaBomba

0hmhmW 4433b =−+− &&&

0mm 43 =− &&

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bT WWW&&&

−=

PCImQ cH&=

HQ

W

&

&

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

 

Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Assim, é possível definir a eficiência de um ciclo Rankine ideal:

PCI: poder calorífico inferior do combustível (kJ/kg)

mc : vazão mássica de combustível (kg/s)

Onde:

Como aumentar a eficiência doComo aumentar a eficiência do

Ciclo Rankine?Ciclo Rankine?

 

Como aumentar a eficiência doComo aumentar a eficiência do

Ciclo Rankine?Ciclo Rankine?

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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Parâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação

 

Parâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Usinas de potência a vapor são as responsáveis pela produção da

maior parte da energia elétrica do mundo.

Portanto, ganhos de eficiência térmica podem significar uma

grande economia na necessidade de combustível, e

conseqüentemente, ganhos ambientais.

Há três maneiras de aumentar a eficiência térmica:

Superaquecendo o vapor (aumento de THmed);

Aumentando a pressão da caldeira (aumento de THmed);

Diminuindo a pressão do condensador (diminuição de TLmed).

Parâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação

 

Parâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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Diminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no Condensador

 

Diminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no Condensador

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

TT

ss

PPcc

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo

 

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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

0,280

  e   f   i  c   i   ê  n  c   i  a   d  e   1   º   L  e   i   (   %

   )

pressão no condensador (bar)

Diminuição da pressão no condensador:

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Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo

 

Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Diminuição da pressão no condensador:

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

900

925

950

975

1000

   t  r  a   b  a   l   h  o  e  s  p  e  c   í   f   i  c  o   (   k   W   /   k  g   )

pressão no condensador (bar)

Diminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no Condensador

 

Diminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no Condensador

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

É possível diminuir a pressão do condensador abaixo da pressão

atmosférica.

Entretanto, essa diminuição tem efeitos colaterais:

cria a possibilidade da infiltração de ar ambiente para o interiordo condensador;

aumenta a umidade do vapor nos estágios finais da turbina;

a presença de grandes quantidades de umidade é altamente

indesejada nas turbinas, pois diminui sua eficiência e provoca

erosão de suas pás.

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Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira

 

Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

TT

ss

PPgg

PPcc

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo

 

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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   ê  n  c   i  a   d  e   1   º   L  e   i   (   %

   )

Aumento da temperatura no gerador de vapor (caldeira):

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Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo

 

Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

Aumento da temperatura no gerador de vapor (caldeira):

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   í   f   i  c  o

   (   k   J   /   k  g   )

temperatura vapor (°C)

Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira

 

Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

É possível aumentar a temperatura do vapor e, conseqüentemente,

aumentar a eficiência térmica.

Além disso, esse aumento diminui o conteúdo de umidade do

vapor na saída da turbina.

Porém, a temperatura em que o vapor poderá ser aquecido é

limitada por considerações metalúrgicas (Tmáx = 620°C).

Possível solução é o desenvolvimento de novos materiais.

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Aumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da Caldeira

 

Aumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da Caldeira

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

TT

ss

PPgg

PPcc

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo

 

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0,30

  e   f   i  c   i   ê  n  c   i  a   d  e

   1   º   L  e   i   (   %

   )

pressão vapor (bar)

Aumento da pressão no gerador de vapor (caldeira):

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Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo

 

Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

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

725

750

775

800

825

850

875

900

925

950

975

   T  r  a   b  a   l

   h  o  e  s  p  e  c   i   f   i  c  o

   (   k   W   /   k  g   )

pressão vapor (bar)

Aumento da pressão no gerador de vapor (caldeira):

Aumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da Caldeira

 

Aumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da Caldeira

BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto BC1309_Ana Maria Pereira Neto 

É possível aumentar a pressão da caldeira e, conseqüentemente,

aumentar a eficiência térmica.

Porém, o conteúdo de umidade aumenta.

Esse efeito colateral pode ser resolvido pelo reaquecimento dovapor.

Alternativas:

Superaquecer o vapor antes dele entrar na turbina (há limitações

metalúrgicas);

Expandir o vapor da turbina em dois estágios e reaquecê-lo entre eles.

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Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento

 

Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento

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Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento

 

Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento

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11

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WWT2T2

WWBB

QQLL

QQHH=m=mccPCIPCI

WWT1T1

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Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo

 

Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo

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Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo

 

Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo

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Aumentar a temperatura do líquido que sai da bomba (água de

alimentação), antes que ele entre na caldeira.

Um processo prático de regeneração é realizado pela extração de

vapor da turbina em diversos pontos.

A regeneração não apenas melhora a eficiência do ciclo, mas

também oferece um meio conveniente de desaerar a água de

alimentação, evitando a corrosão da caldeira.

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Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo

 

Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo

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33

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WWTT

WWBB

QQLLQQHH=m=mccPCIPCI

Trocador de CalorTrocador de Calor

Ciclo Rankine RealCiclo Rankine Real

 

Ciclo Rankine RealCiclo Rankine Real

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Ciclo Rankine RealCiclo Rankine Real

 

Ciclo Rankine RealCiclo Rankine Real

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TT

ss

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Perda de pressão no ger. de vaporPerda de pressão no ger. de vapor

PerdaPerda dede pressãopressão nono condensadorcondensador

IrreversibilidadeIrreversibilidadegerada na turbinagerada na turbina

IrreversibilidadeIrreversibilidadegeradagerada nana bombabomba

ExercíciosExercícios

 

ExercíciosExercícios

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ExercíciosExercícios

 

ExercíciosExercícios

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1) Considere uma usina de potência a vapor de água operandosegundo um ciclo de Rankine ideal. O vapor entra na turbina a 5 MPa e350ºC e é condensado no condensador à pressão de 75 kPa. Determinea eficiência térmica desse ciclo. (0,2867)

2) Considere uma usina a vapor de água operando segundo o ciclo deRankine ideal. Vapor entra na turbina a 5 MPa e 450ºC e o condensadoropera a 10 kPa. Determine (a) a eficiência térmica dessa usina; b) aeficiência térmica se o vapor for superaquecido a 600 ºC em vez de450ºC, e c) a eficiência térmica se a pressão da caldeira for elevada até

15 MPa enquanto a temperatura na entrada da turbina é mantida a600ºC. a) 0,3692; b) 0,3924; c) 0,4303

3) Utilizando os dados do exemplo 1, qual seria a eficiência térmicadesse ciclo se as eficiências isentrópicas da bomba e da turbinafossem 60% e 85%, respectivamente. (0,2545)