aula_7_rankine_01_04_2010[1]x

5/11/2018 Aula_7_Rankine_01_04_2010[1]x - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/aula7rankine010420101x 1/24

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


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



07/04/2010

2




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





07/04/2010

3

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.







Gerador de VaporGerador de Vapor

Turbina a vaporTurbina a vapor

BombaBomba

CondensadorCondensador

33

11

22

44

WWTT

WWBB

(combustível)(combustível)

QQLL

QQHH == mmccPCIPCI



07/04/2010

4




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.




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.



07/04/2010

5

Diagrama TDiagrama T--ss

Diagrama TDiagrama T--ss


TT

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



07/04/2010

6

TT




11

2233

44

WW




TT

ss

11

2233

44

QQHH



07/04/2010

7

TT




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




07/04/2010

8




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):




0mm se =− &&

0hmhmWQ sseevcvc =−+− &&&&

Equação de conservação da massa:

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

essese hh)ww()qq( −=−+− &&&&



07/04/2010

9





11

44


QQHH == mmccPCIPCI

GeradorGerador dede VaporVapor (Caldeira)(Caldeira)::

0hmhmQ 1144H =−+ &&&

0mm 14 =− &&




Turbina a vaporTurbina a vapor11

22

WWTT

TurbinaTurbina aa VaporVapor

0hmhmW 2211T =−+−&&&

0mm 21 =− &&



07/04/2010

10





33

22

QQLL


0hmhmQ 3322L =−+ &&

0mm 32 =− &&




BombaBomba

3344WWBB

BombaBomba

0hmhmW 4433b =−+−&&&

0mm 43 =− &&



07/04/2010

11





Turbina a vaporTurbina a vapor

BombaBomba


33

11

22

44

WWTT

WWBB


QQLLQQHH == mmccPCIPCI




Para cada equipamento, temos:

GeradorGerador dede VaporVapor (Caldeira)(Caldeira)::

0hmhmQ 1144H =−+ &&&

0mm 14 =− &&

TurbinaTurbina aa VaporVapor

0hmhmW 2211T =−+− &&&

0mm 21 =− &&


0hmhmQ 3322L =−+ &&

0mm 32 =− &&

BombaBomba

0hmhmW 4433b =−+− &&&

0mm 43 =− &&



07/04/2010

12

bT WWW&&&

−=

PCImQ cH&=

HQ

W

&

&

=η




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?




07/04/2010

13

Parâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação



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).






07/04/2010

14

Diminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no Condensador



TT

ss

PPcc

Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência 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

0,280

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:



07/04/2010

15

Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo



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)




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.



07/04/2010

16

Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira



TT

ss

PPgg

PPcc




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):



07/04/2010

17




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)




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.



07/04/2010

18

Aumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da Caldeira



TT

ss

PPgg

PPcc




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):



07/04/2010

19




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):




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.



07/04/2010

20

Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento






33

11

22

44

WWT2T2

WWBB

QQLL

QQHH=m=mccPCIPCI

WWT1T1



07/04/2010

21

Ciclo Rankine RegenerativoCiclo Rankine Regenerativo






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.



07/04/2010

22




33

11

22

44

WWTT

WWBB

QQLLQQHH=m=mccPCIPCI

Trocador de CalorTrocador de Calor

Ciclo Rankine RealCiclo Rankine Real





07/04/2010

23




TT

ss

11

2233

44

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





07/04/2010

24




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)

aula_7_rankine_01_04_2010[1]x

Documents