termodinâmica aplicada à agricultura - a10

Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag

Fundamentos da Termodinâmica

Tradução da 7ª Edição Americana

Capítulo 11 e 12 Sistemas de Potência e Refrigeração

SISTEMAS DE POTÊNCIA

Central a Vapor (ciclo fechado-ciclo real)

Motor Ciclo Otto (ciclo aberto-ciclo falso)

SISTEMAS DE POTÊNCIACiclo Carnot

Processo reversível em regime permanente

Motor térmico (ciclo Carnot)

Processo reversível de movimento de fronteira

Cilindro/Pistão (ciclo Carnot)


1- O trabalho representado pela integral da direita não envolve processos a pressão constante;2-O trabalho representado pela integral da esquerda não envolve processo a volume constante.

SISTEMAS DE POTÊNCIACiclo Carnot

SISTEMAS DE POTÊNCIACiclo Carnot- Motor Térmico

1

2

3

4

SISTEMAS DE POTÊNCIACiclo Carnot- Cilindro/Pistão

4

1 2

3

SISTEMAS DE POTÊNCIACiclo Rankine

SISTEMAS DE POTÊNCIACiclo Rankine X Ciclo Carnot

Ciclo Rankine =1-2-3-4-1 Ciclo Carnot=1’-2’-3-4-1’

O rendimento térmico do ciclo Rankine é menor do que o ciclo Carnot, porque a temperatura entre 2-2’ é menor que a temperatura de evaporação.

Por que escolher o ciclo Rankine?1-O ciclo Carnot envolve o fato que no ponto 1’, existe uma mistura líquido/vapor, e é muito difícil construir uma bomba que opere adequadamente sendo alimentada por esta mistura! É muito mas fácil (e barato) condensar o vapor e depois bombear somente líquido (ciclo Rankine);2-No ciclo Rankine o vapor está superaquecido em pressão constante no processo 3-3’, no ciclo Carnot toda a transferência de calor ocorre a temperatura constante, no processo 3-3’’ com o vapor superaquecido, neste processo a pressão cai, portanto é um processo de expansão, e é muito mais difícil conseguir transferência de calor em uma expansão!PORTANTO O CICLO RANKINE É O CICLO IDEAL QUE PODE SER APROXIMADO NA PRÁTICA!!

Exemplo 11.1

Ef=30,3%


1-Quando a pressão de saída da turbina cai de P4 par P4’, com a diminuição da temperatura no qual o calor é rejeitado, há um aumento de trabalho líquido;

2-Este fato acarreta uma redução do título do fluído que deixa a turbina, o que acarreta na diminuição da eficiência da mesma e gera erosão das palhetas.

EFEITO DA PRESSÃO E TEMPERATURA NO CICLO RANKINE


Adicione aqui o TextoQuando ocorre superaquecimento do vapor na caldeira, há o aumento do trabalho, como o indicado na área3-3’-4’-4-3, portanto há um aumento do rendimento;


Aumento de rendimento


1-Se a temperatura máxima do vapor, como a pressão de saída são mantidas constantes, o calor rejeitado pode diminuir o correspondente a área b’-4’-4-b-b’, devida a influência do aumento da pressão.2-O trabalho líquido tende a permanecer o mesmo, mas como o calor rejeitado diminui, o rendimento aumenta com o aumento da pressão



O trabalho líquido e o rendimento podem aumentar pela:1-Redução da pressão no condensador;2-Aumento da pressão no fornecimento de calor;3-Superaquecimento do vapor;4-O título do vapor que deixa a turbina aumenta com o superaquecimento;5-O título do vapor que deixa a turbina diminui com a diminuição da pressão no condensador;6-O título do vapor que deixa a turbina diminui com o aumento da pressão no fornecimento de calor.

Exemplo 11.2

Ef= 35,5%

O ciclo de reaquecimento foi desenvolvido para aumentar o rendimento através da utilização de pressões mais altas e ao mesmo tempo evitar que a umidade seja

excessiva nos estágios de baixa pressão da turbina.

CICLO COM REAQUECIMENTO

Reaquecimento

1-O vapor se primeiro se expande até uma pressão intermediária na Turbina;2-Então é reaquecido na caldeira e novamente expande-se na turbina até a pressão de saída;3-O ganho de rendimento é muito pequeno;4-A grande vantagem é a diminuição da umidade nos estágios de baixa.

Exemplo 11.3

Ef= 35,9%

CICLO REGENERATIVOAquecimento

1-O fluído é aquecido em algum estado entre 2-2’, obtendo uma temperatura média maior no qual o calor é transferido;2-Após deixar a bomba, o fluído circula pela carcaça da turbina, 1-2-3;3-A linha 4-5 (vapor escoando pela turbina) é paralela a linha 1-2-3 (bombeamento fluído);4-Devido a isto, o ciclo Rankine Regenerativo, tem rendimento igual ao Ciclo Carnot (máximo rendimento possível).

O ciclo Rankine regenerativo real, envolve a extração de vapor da turbina, para ser misturado em aquecedores de água, portanto o rendimento não é o máximo.

CICLO REGENERATIVO

Exemplo 11.4

Ef= 37,5%


CICLO REGENERATIVO Outro ciclo Rankine regenerativo real, envolve a um aquecedor de superfície, onde a água de alimentação não se mistura com o vapor, o calor é extraído do vapor através da condensação na parte externa dos tubos.

1-A pressão de vapor pode ser diferente da pressão da água de alimentação;2-O condensado pode ser bombeado para a tubulação de alimentação ou removido por um purgador;3-As temperaturas de descarga do aquecedor, do condensador, e descarga do conjunto são iguais, nestas condições:


1-O aquecedor ddeaerador da água de alimentação tem a função de aquecer a água e retirar o ar do fluído, para evitar corrosão excessiva da calderia;2-O condensado dos aquecedores de alta pressão escoa para um aquecedor intermediários;3-Muitas centrais possuem uma combinação de estágio de reaquecimento com vários de extração.

CICLO REGENERATIVO DE UMA CENTRAL DE POTÊNCIA REAL


AFASTAMENTO DO CICLO REAL EM RELAÇÃO AO IDEAL

PERDAS NA TURBINA: 1-Diretamente proporcional a eficiência isoentrópica da turbina;2-Escoamento do fluído de trabalho pelos canais e palhetas da turbina;3-Transferência de calor para o ambiente;4-O ponto 4s representa o estado após uma expansão isoentrópica e o ponto 4 o estado real do vapor (perdas );5-Sistemas de controle, principalmente em um processo de estrangulamento para controlar a turbina.


PERDAS NA BOMBA: 1-São análogas as da Turbina;2-O estado isoentrópico de bombeamento é representado no ponto 2;3-As perdas na bomba são muito menores do que na turbina, pois a potência utilizada na bomba é muito menor do que a potência produzida na turbina


PERDAS NA TUBULAÇÃO:1-Queda de pressão devido ao atrito;2-Queda de pressão devido a transferência de calor ao ambiente;3-Os estados a e b representam respectivamente os estados do vapor que deixa a caldeira e que entra na turbina, a diferença é devido ao efeito de atrito (perda de carga), aumentando a entropia;4-A transferência de calor ao ambiente é representado pelo processo b-c, este processo diminui a entropia;5-Tanto a queda de pressão como a transferência de calor geram uma diminuição da DISPONIBILIDADE do vapor.


PERDAS NO CONDENSADOR:1-As perdas no condensador são pequenas;2-Pelo resfriamento abaixo da temperatura de saturação do líquido que deixa o condensador;3-Troca de calor adicional para trazer a água até sua termperatura de saturação.


Ef= 29,2%

Exemplo 11.5


VANTAGENS:1-Uma só caldeira tanto para o ciclo de potência como para o processo industrial;2-Ganhos (economia) no investimento inicial;3-Otimização dos parâmetros da instalação.

COGERAÇÃO

Fotos: Usina Araporã

SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO

Um ciclo de refrigeração ideal é SIMILAR ao ciclo de potência ideal, mas cada processo é o inverso! Tendo: 1-Dois processos isobáricos e isotérmicos;

2- A área delimitada pelos processos é o trabalho líquido requerido pelo ciclo para ocorrer (ao contrário dos ciclos de potência que geram trabalho);

CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR1-Vapor saturado a baixa pressão entra no compressor e sofre uma compressão adiabática reversível (1-2) [processo isoentrópico];

2-Calor é rejeitado a pressão constante no processo 2-3 e o fluído deixa o condensador como líquido saturado [processo isobárico];

3-Há um estrangulamento adiabático, processo 3-4, expandindo o fluído e diminuindo a pressão do mesmo [processo isoentálpico] ;

4-O fluído de trabalho é vaporizado a pressão constante 4-1, absorvendo calor e completando o ciclo [processo isobárico].

O estado 1 é vapor saturado; O estado 3 é líquido saturado; O compressor gera pressão alta, P2=P3; O evaporador gera temperatura baixa, T4=T1.

Este ciclo pode ser utilizado como refrigerador, quando o evaporador fica dentro do ambiente, sendo o coeficiente de desempenho dado por:

Este ciclo pode ser utilizado como bomba de calor, quando o condensador fica dentro do ambiente, sendo o coeficiente de desempenho dado por:


AFASTAMENTO DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO REAL DE COMPRESSÃO DE VAPOR EM RELAÇÃO AO CICLO IDEAL

Principais causas:1-Quedas de pressão associadas ao escoamento;2-Transferência de calor para as vizinhanças;3-Irreversibilidades durante a compressão;Exemplo:

Linha 1-2 (aumento de entropia); 1-2’ (transferência de calor para as vizinhanças);

Queda de pressão quando o fluído passa pelo evaporador;

Aumento de trabalho do compressor devido a transferência de calor pelas vizinhanças.


CONFIGURAÇÕES DE CICLO DE REFRIGERAÇÃO

Pode-se melhorar o coeficiente de desempenho através de uma compressão em dois estágios:1-Utilizada quando a temperatura entre estágios for muito baixa;

2-O compressor operando com temperatura mais baixa movimenta uma menor vazão de fluído a um volume específico mais alto;

3-O resultado é o aumento do coeficiente de rendimento (β).


LIQUEFAÇÃO DE GASES:Processo Linde-Hampson:

1-O regenerador resfria os gases antes do processo de estrangulamento (válvula de expansão) e a refrigeração é obtida com vapor a baixa temperatura que escoa para o compressor;

2-O compressor é do tipo alternativo (pistões), com resfriamento intermediário (pós-resfriador) entre os estágios;


Quando o resfriamento deve ser muito intenso é preciso usar dois ciclos diferentes com fluídos diferentes!SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO EM CASCATA.

1-O evaporador do ciclo de alta temperatura abosrve calor do condensador do ciclo de baixa temperatura;

2-Estes dois componentes estão alocados em um mesmo trocador de calor;

3-Ocorre o balanço de energia sem transferência de calor externa, gerando a diminuição do trabalho de compressão;

4-Fluídos especiais com propriedades termodinâmicas adequadas devem ser utilizados.

CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE AMÔNIA

Difere do ciclo por compressão de vapor, pela forma que a compressão é realizada!

Neste ciclo a amônia a baixa pressão é absorvida pela água e a solução líquida é bombeada a uma pressão superior:1-O vapor de amônia a baixa pressão entra no absorvedor onde é absorvido pela solução fraca de amônia(temperatura levemente superior da ambiente);2-A solução forte de amônia é então bombeada ao gerador através de um trocador de calor e é mantida em alta pressão e temperatura;3-O vapor de amônia se separa da solução em consequência da transferência de calor da fonte de alta temperatura;4-A solução fraca de amônia retorna ao absorvedor através do trocador de calor;5-O vapor vai para o condensador, onde é condensado, como nos sistema de compressão;6-A amônia condensada se dirige para a válvula de expansão, onde a pressão cai;7-A amônia líquida a baixa temperatura vai ao evaporador;

Este sistema requer um consumo muito pequeno de trabalho (bomba somente)!

Por outro lado exige uma fonte térmica de alta temperatura (trocador de calor)Energia solar/concentradores solares

CICLO PADRÃO AR

Ciclos termodinâmicos que utilizam o ar como fluído!!

Motor Ciclo Diesel Turbina Aeronáutica Motor Ciclo Otto

TURBINA A GÁS – CENTRAL TERMOELÉTRICA

CICLO BRAYTON (Turbinas)


CICLO BRAYTON – EFICIÊNCIA COMPRESSOR E TURBINA

CICLO SIMPLES DE TURBINA A GÁS COM REGENERADOR


EFICIÊNCIA DO REGENERADOR

CONFIGURAÇÃO DO CICLO DA TURBINA A GÁS PARA CENTRAIS DE POTÊNCIA


ARRANJOS PARA TURBINA A GÁS PARA CENTRAIS DE POTÊNCIA


CICLO PADRÃO AR PARA TURBINAS DE AERONAVES


CICLO OTTO

CICLO DIESEL


CICLO STIRLING (combustão externa)

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