1Termodinâmica II MCA 8767 SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR CICLO DE RANKINE 2015/02 Marcelo Aiolfi Barone https://goo.gl/2FqZVm
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[email protected] 2 Ciclo de Carnot • Até 1824 acreditava-se que as máquinas térmicas construídas poderiam submeter-se a um funcionamento perfeito ou algo próximo a esse valor. • Em outras palavras, os cientistas da época acreditavam que podiam fazer uso de toda energia térmica fornecida a essas máquinas, em forma de trabalho. • O engenheiro Sadi Carnot foi o responsável, na época, por fazer demonstrações nas quais era impossível obter 100% de rendimento. • Carnot propôs que uma máquina térmica teórica, ideal, funcionaria percorrendo um ciclo particular, hoje conhecido como Ciclo de Carnot. • Em sua demonstração, Carnot conceituou dois postulados: • A eficiência térmica de um ciclo de potência irreversível é sempre menor do que a eficiência térmica de um ciclo de potência reversível quando cada um opera entre os mesmos dois reservatórios térmicos. • Todos os ciclos de potência reversíveis operando entre os mesmos dois reservatórios térmicos têm a mesma eficiência térmica. 3 Ciclo de Carnot • Um sistema que executa um ciclo enquanto se comunica termicamente com dois reservatórios térmicos, um quente e outro frio, e desenvolve o trabalho líquido (𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 ). 𝑊𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑄𝑐 𝜂= =1− 𝑄𝐻 𝑄𝐻 • Se o valor de Qc fosse zero? • O sistema retiraria energia de QH do reservatório quente e produziria uma quantidade de trabalho igual, enquanto percorresse um ciclo. • Logo a eficiência térmica do ciclo corresponderia à 100%, porém esse método de operação viola o enunciado, portanto, não é permitido. Na prática. como custo. podem ser mais importantes.Ciclo de Potência de Carnot 4 Eficiência de Carnot • Um sistema que percorre um ciclo de potência reversível enquanto opera entre reservatórios térmicos (quente. 𝑄𝑐 𝑇𝐶 = 𝑄𝐻 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑇𝐻 𝑟𝑒𝑣 𝑄𝑐 𝑇𝑐 𝜂𝑚𝑎𝑥 =1− =1− 𝑄𝐻 𝑇𝐻 • No segmento a-b. • As eficiências dos ciclos reais aumentam à medida que a temperatura média • Na qual a energia é adicionada por transferência de calor aumenta e/ou • Na qual a energia é descarregada por transferência de calor diminui. frios) tem sua eficiência máxima. um pequeno aumento da temperatura TH. . resulta em um aumento da eficiência. • Porém maximizar a eficiência de um ciclo pode não ser o objetivo principal. outras considerações. .Ciclo de Potência de Carnot 5 Processos • Em um Ciclo de Carnot o sistema que está executando o ciclo passa por uma série de quatro processos internamente reversíveis: • 2 (dois) processos adiabáticos alternados com • 2 (dois) processos isotérmicos. . O gás se expande isotermicamente enquanto recebe a energia QH do reservatório quente por transferência de calor. • Processo 2-3: O conjunto é colocado em contato com o reservatório a TH.Ciclo de Potência de Carnot 6 Processos • Processo 1-2: O gás é comprimido adiabaticamente até o estado 2. no qual a temperatura é TH. . • Processo 4-1: O conjunto é colocado em contato com o reservatório a TC. O gás é comprimido isotermicamente até o seu estado inicial enquanto descarrega a energia QC para o reservatório frio por transferência de calor.Ciclo de Potência de Carnot 7 Processos • Processo 3-4: O conjunto é colocado sobre o apoio isolado e o gás continua a se expandir adiabaticamente até a temperatura cair para TC. Ciclo de Potência de Carnot 8 Processos . . • A inevitável escassez das fontes de energia não renováveis e seus efeitos adversos na saúde humana e no meio ambiente • Tem despertado interesse pela abertura de novos caminhos pelos quais se possa produzir a eletricidade que precisamos. em especial o aumento do uso de fontes renováveis. 9 Sistemas de Potência a Vapor • Um desafio de engenharia para as próximas décadas é atender com responsabilidade às necessidades de energia a nível nacional e mundial. • O desafio tem suas origens: • na diminuição das fontes não renováveis das fontes renováveis de energia • nos efeitos globais das mudanças climáticas e • no crescimento populacional. 10 Sistemas de Potência a Vapor . Energia Solar d. Energia Geotérmica . Combustível Nuclear c. e seis são identificadas com o Ciclo de Rankine. • O Ciclo de Rankine representa o bloco básico de construção das usinas de potência a vapor. Combustível Fóssil b. 11 Sistemas de Potência a Vapor • Sete dos tipos de usinas de energia listadas requerem um ciclo termodinâmico. a. 12 Sistemas de Potência a Vapor . 13 Sistemas de Potência a Vapor . 14 Sistemas de Potência a Vapor . 15 Sistemas de Potência a Vapor . 16 Sistemas de Potência a Vapor . • O desenvolvimento para o Ciclo Rankine começa por se considerar os 4 (quatro) principais componentes: • Turbina • Condensador • Bomba • Caldeira .Sistemas de Potência a Vapor 17 Ciclo Ideal de Rankine • Os modelos termodinâmicos permitem uma avaliação das alterações nos principais parâmetros de operação que afetam o desempenho real do sistema. Sistemas de Potência a Vapor 18 Ciclo Ideal de Rankine . • Além disso.Sistemas de Potência a Vapor 19 Modelagem do Ciclo de Rankine • Se o fluido de trabalho passa pelos vários componentes do ciclo de potência de vapor simples sem irreversibilidades. • o fluido de trabalho fluirá através desses componentes a pressão constante. . não haverá: • queda de pressão por atrito na caldeira e no condensador. • De transferência de calor com as vizinhanças • O processo através da turbina e da bomba será isentrópico. • Na ausência de irreversibilidades e. Sistemas de Potência a Vapor 20 Modelagem do Ciclo de Rankine • Processo 1-2 • Expansão isentrópica do fluido de trabalho através da turbina na condição de vapor saturado no estágio 1 até a pressão do condensador. • Processo 2-3 • Transferência de calor do fluido de trabalho quando este flui a pressão constante através do condensador chegando em forma de líquido saturado no estágio 3. . • O volume específico de um líquido varia apenas ligeiramente quando o líquido flui da entrada para a saída da bomba.Sistemas de Potência a Vapor 21 Modelagem do Ciclo de Rankine • Processo 3-4 • Compressão isentrópica na bomba até o estágio 4 na região de líquido comprimido. . desta forma pode-se considerar o volume específico constante. • Processo 4-1 • Transferência de calor para o fluido de trabalho quando este flui a pressão constante através da caldeira. Sistemas de Potência a Vapor 22 Modelagem do Ciclo de Rankine . Sistemas de Potência a Vapor 23 Balanço das Taxas de Massa e Energia 𝑑𝐸 = 𝐸𝑖 − 𝐸𝑜 𝑑𝑡 𝑉𝑥2 𝐸𝑥 = 𝑄𝑥 + 𝑊𝑥 + 𝑚𝑥 𝑢 + 𝑝𝑣 + + 𝑔𝑧𝑥 2 ℎ𝑥 = 𝑢 + 𝑝𝑣 𝑉𝑥2 𝐸𝑥 = 𝑄𝑥 + 𝑊𝑥 + 𝑚𝑥 ℎ𝑥 + + 𝑔𝑧𝑥 2 𝑑𝐸 𝑉𝑖2 𝑉𝑜2 = 𝑄𝑖 + 𝑊𝑖 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 + + 𝑔𝑧𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑜 + 𝑚𝑜 ℎ𝑜 + + 𝑔𝑧𝑜 𝑑𝑡 2 2 𝑑𝐸 𝑉𝑖2 𝑉𝑜2 = 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑖 − 𝑊𝑜 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 + + 𝑔𝑧𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ𝑜 + + 𝑔𝑧𝑜 𝑑𝑡 2 2 𝑑𝐸𝑣𝑐 𝑉𝑖2 𝑉𝑜2 = 𝑄𝑣𝑐 − 𝑊𝑣𝑐 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 + + 𝑔𝑧𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ𝑜 + + 𝑔𝑧𝑜 𝑑𝑡 2 2 . • Cada componente opera em regime estacionário. • Referência: • Positiva (+) – Seta entrando no componente • Negativo (-) – Seta saindo do componente • Simplificações: • As perdas por transferência de calor que ocorrem entre os componentes das plantas e suas vizinhanças são desprezadas nesta análise. • Variações de energia cinética e potencial são ignoradas. 0 = 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑖 − 𝑊𝑜 + 𝑚𝑖 ℎ 𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ 𝑜 .Sistemas de Potência a Vapor 24 Balanço das Taxas de Massa e Energia • Considerações: • A grande maioria das usinas de potência a vapor utiliza a água como fluido de trabalho. • Regime permanente. Sistemas de Potência a Vapor 25 Balanço das Taxas de Massa e Energia 𝑊𝑡 𝑇𝑈𝑅𝐵𝐼𝑁𝐴: 0 = 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑖 − 𝑊𝑜 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ𝑜 = ℎ1 − ℎ2 𝑚 𝑄𝑜 𝐶𝑂𝑁𝐷𝐸𝑁𝑆𝐴𝐷𝑂𝑅: 0 = 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑖 − 𝑊𝑜 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ𝑜 = ℎ2 − ℎ3 𝑚 𝑊𝑏 𝐵𝑂𝑀𝐵𝐴: 0 = 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑖 − 𝑊𝑜 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ𝑜 = ℎ4 − ℎ3 𝑚 𝑄𝑖 𝐶𝐴𝐿𝐷𝐸𝐼𝑅𝐴: 0 = 𝑄𝑖 − 𝑄𝑜 + 𝑊𝑖 − 𝑊𝑜 + 𝑚𝑖 ℎ𝑖 − 𝑚𝑜 ℎ𝑜 = ℎ1 − ℎ4 𝑚 . Sistemas de Potência a Vapor 26 Balanço das Taxas de Massa e Energia • Essas equações foram desenvolvidas a partir dos balanços das taxas de massa e energia. que se aplicam igualmente aos casos de desempenho real quando as irreversibilidades estão presentes e para o desempenho idealizado na ausência desses efeitos. • Mas se considerar um ciclo idealizado no qual se admite que as irreversibilidades não estejam presentes. . • Logo o ciclo ideal representa uma condição simples com a qual é possível estudar diversos aspectos do desempenho de uma planta. esse estabelece um limite superior para o ciclo. 𝑊𝑡 𝑊𝑏 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑊𝑙𝑖𝑞 − ℎ1 − ℎ2 − ℎ4 − ℎ3 𝜂= = 𝜂= 𝑚 𝑚 𝜂= 𝐼𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑄𝑖 𝑄𝑖 ℎ1 − ℎ4 𝑚 . 𝑊𝑏 𝑚 ℎ4 − ℎ 3 𝑏𝑤𝑟 = = 𝑊𝑡 ℎ1 − ℎ2 𝑚 • A eficiência térmica mede a quantidade de energia fornecida ao fluido de trabalho que passa pela caldeira que é convertida em trabalho líquido de saída.Sistemas de Potência a Vapor 27 Parâmetros de Desempenho da Planta • Um parâmetro utilizado na descrição do desempenho da planta de potência é a relação entre o trabalho de entrada da bomba e o trabalho desenvolvido pela turbina. bwr (back work ratio). 008 MPa. A vazão mássica de vapor [kg/h].0 MPa e o líquido saturado sai do condensador a uma pressão de 0. A taxa de transferência de calor fornecida ao fluido de trabalho [MW]. A vazão mássica da água de resfriamento no condensador [kg/h] se a água entra a 15ºC e sai a 35ºC. c. e. d.1 – Análise de um Ciclo Ideal de Rankine • Utiliza-se vapor como fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine. . O vapor saturado entra na turbina a 8. A eficiência térmica b. A taxa de transferência de calor que sai do vapor condensado [MW]. f.Sistemas de Potência a Vapor 28 Exemplo 8. A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW. A razão bwr. Determine para o ciclo: a. Sistemas de Potência a Vapor 29 Exemplo 8.1 – Análise de um Ciclo Ideal de Rankine .
[email protected] .gl/2FqZVm mabacz@gmail. 30 Termodinâmica II MCA 8767 SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR EFEITOS NO CICLO RANKINE 2015/02 Marcelo Aiolfi Barone https://goo.com // prh29. diminui. e/ou • pela qual a energia é rejeitada. • Com a qual a energia é adicionada por transferência de calor aumenta.Sistemas de Potência a Vapor 31 Efeito da Temperatura na Eficiência Térmica • A eficiência térmica do ciclo de potência tende a aumentar quando a temperatura média. 𝑊𝑡 𝑊𝑏 − ℎ1 − ℎ2 − ℎ4 − ℎ3 𝜂= 𝑚 𝑚 𝜂= 𝑄𝑖 ℎ1 − ℎ4 𝑚 . Sistemas de Potência a Vapor 32 Efeito da Temperatura na Eficiência Térmica • Como o ciclo de Rankine consiste inteiramente em processos com reversibilidades internas. pode-se obter uma expressão para a eficiência térmica em função das temperaturas médias durante os processos de interação térmica. 1 𝑄𝑖𝑛 = 𝑇 𝑑𝑠 = área 1−b−c−4−a−1 𝑚 𝑖𝑛𝑡 4 𝑟𝑒𝑣 𝑄𝑖𝑛 ⇒ = 𝑇𝑖𝑛 𝑠1 − 𝑠4 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 2 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝑇 𝑑𝑠 = área 2−b−c−3−2 𝑚 𝑖𝑛𝑡 3 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑟𝑒𝑣 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 𝑇𝑜𝑢𝑡 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝜂𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 1 − =1− ⇒ = 𝑇𝑜𝑢𝑡 𝑠2 − 𝑠3 𝑄𝑖𝑛 𝑇𝑖𝑛 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 𝑟𝑒𝑣 . Sistemas de Potência a Vapor 34 Efeito da Variação das Pressões de Operação no Ciclo Ideal de Rankine • Efeito da Pressão na Caldeira • A figura mostra dois ciclos ideais tendo a mesma pressão no condensador, porém, diferentes pressões na caldeira. • A temperatura média da adição de calor é maior para as pressões mais altas do ciclo (1’-2’-3’-4’-1’) do que para o ciclo (1-2-3-4-1). • Logo, o aumento da pressão da caldeira no ciclo ideal de Rankine tende a aumentar a eficiência térmica. 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 𝑇𝑜𝑢𝑡 𝜂𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 1 − =1− 𝑄𝑖𝑛 𝑇𝑖𝑛 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 Sistemas de Potência a Vapor 35 Efeito da Variação das Pressões de Operação no Ciclo Ideal de Rankine • Efeito da Pressão no Condensador • A figura mostra dois ciclos com a mesma pressão na caldeira, porém, diferentes pressões no condensador. • A temperatura de rejeição de calor para o ciclo (1-2-3-4-1) que condensa à pressão atmosférica é de 100ºC. • A temperatura do calor rejeitado para o ciclo de pressão baixa (1-2’’-3’’-4’’-1) é também mais baixa, assim tem maior eficiência térmica. • Logo, a diminuição da pressão no condensador tende a aumentar a eficiência térmica. 𝑄𝑜𝑢𝑡 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 𝑇𝑜𝑢𝑡 𝜂𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 1 − =1− 𝑄𝑖𝑛 𝑇𝑖𝑛 𝑚 𝑖𝑛𝑡 𝑟𝑒𝑣 Sistemas de Potência a Vapor 36 Ciclo Ideal de Rankine x Ciclo de Carnot • O ciclo ideal de Rankine (1-2-3-4-4’-1) tem uma eficiência menor do que o ciclo de Carnot (1-2-3’-4’-1) com as mesmas temperaturas TH e Tc. • Isto é devido à temperatura média entre 4 e 4’ ser menor que TH. Sistemas de Potência a Vapor 37 Ciclo Ideal de Rankine x Ciclo de Carnot • Mas o ciclo de Carnot apresenta diversas deficiências como modelo para o ciclo de Potência a Vapor Simples. São elas: 1. Para se utilizar toda a energia liberada na combustão do combustível, os produtos quentes deveriam ser resfriados tanto quanto possível. 2. Mistura bifásica líquido-vapor no processo de bombeamento (estado 3). 3. Limitação da expansão na turbina devido ao baixo título. 4. Transferência de calor a mesma temperatura; 5. Consequente limitação da temperatura máxima do ciclo; Sistemas de Potência a Vapor 38 Ciclo Ideal de Rankine x Ciclo de Carnot Mudanças para o Ciclo de Carnot • Transferência de calor na caldeira variando a pressão (e temperatura constante); • Compressão Isentrópica até altas pressões; • Alguns efeitos têm uma influência mais pronunciada no desempenho global da planta de potência do que outros. esses efeitos são classificados como: • Internos: ocorrem internamente. 39 Principais Perdas e Irreversibilidades • As irreversibilidades e perdas são associadas a cada subsistema. . • De maneira bem ampla. • Externos: ocorrem na vizinhanças. portanto. • O 𝑊𝑡 /𝑚 é menor do que a correspondente expansão isentrópica 1-2s. • As irreversibilidades na turbina reduzem significamente a potência líquida da planta. permite que as irreversibilidades sejam consideradas em função do trabalho real e isentrópico. a eficiência térmica. mostra uma expansão adiabática real sendo acompanhada de um aumento na entropia. • A eficiência isentrópica (𝜂𝑡 ). . • A transferência de calor da turbina para suas vizinhanças representa uma perda. • O processo 1-2.Principais Perdas e Irreversibilidades 40 Efeitos Internos Turbina 𝑊𝑡 /𝑚 ℎ1 − ℎ2 𝜂𝑡 = = 𝑊𝑡 /𝑚 ℎ1 − ℎ2𝑠 • A irreversibilidade interna sofrida pelo fluido de 𝑠 trabalho está associada à sua expansão através da turbina. sendo o 𝑊𝑏 /𝑚 é maior do que aquele para o processo isentrópico 3-4s. • O processo real (3-4) é acompanhado por um aumento na entropia.Principais Perdas e Irreversibilidades 41 Efeitos Internos Bomba • O trabalho de entrada fornecido à bomba necessário para vencer as irreversibilidades também reduz a potência líquida na saída da planta. . Principais Perdas e Irreversibilidades 42 Efeitos Internos • Conforme ocorreu na turbina. a transferência de calor é considerada um efeito secundário (perda). . • A eficiência isentrópica (𝜂𝑏 ). • As irreversibilidades na bomba impactam muito menos no trabalho líquido do ciclo. permite que as irreversibilidades sejam consideradas em função do trabalho real e isentrópico. 𝑊𝑏 /𝑚 ℎ3 − ℎ4𝑠 𝑣3 𝑝4 − 𝑝3 𝑠 𝜂𝑏 = = = 𝑊𝑏 /𝑚 ℎ3 − ℎ 4 ℎ3 − ℎ4 • Devido ao fator do trabalho da bomba ser muito menor que o trabalho da turbina. do condensador e dos tubos de conexão entre os diversos componentes.Principais Perdas e Irreversibilidades 43 Efeitos Internos Outros Efeitos • Os efeitos do atrito que resultam em reduções na pressão são fontes adicionais de irreversibilidades interna quando o fluido de trabalho flui através da caldeira. . • Na entrada da bomba cai na região de líquido. o que resulta em temperaturas médias inferiores de adição e rejeição de calor. .Principais Perdas e Irreversibilidades 44 Efeitos Internos Outros Efeitos • Outro efeito prejudicial ao desempenho da planta pode ser observado no estado 3. • O efeito global é uma eficiência térmica inferior no caso do ciclo real. elas são classificadas como externas.Principais Perdas e Irreversibilidades 45 Efeitos Externos • A fonte mais importante de irreversibilidades ocorrentes nas plantas de potência a vapor está associada à queima do combustível e à transferência de calor dos gases quentes da queima para o fluido de trabalho. . • Esses efeitos são considerados quantitativamente utilizando a exergia. • Quando a queima e a subsequente transferência de calor ocorre nas vizinhanças do subsistema B. Principais Perdas e Irreversibilidades 46 Efeitos Externos • Outro efeito que ocorre na vizinhança é a descarga de energia por transferência de calor para a água de refrigeração quando o fluido de trabalho se condensa. essa é de pouco utilidade quando a condensação ocorre a temperaturas próximas da ambiente. • Embora a água de resfriamento conduza uma energia considerável. . Principais Perdas e Irreversibilidades 47 Efeitos Externos • As trocas de calor dispersas pelas superfícies externas dos componentes da planta têm efeitos prejudiciais no desempenho. . uma vez que elas reduzem a conversão de calor para trabalho. 0 MPa e o líquido saturado sai do condensador a uma pressão de 0.1. A potência líquida de saída do ciclo é de 100 MW. para uma potência líquida de 100 MW. determine: a.A taxa de transferência de calor do vapor que passa pelo condensador [MW].A vazão mássica do vapor [kg/h].008 MPa. A taxa de transferência de calor para o fluido de trabalho [MW]. e. . b. A vazão mássica da água de resfriamento no condensador [kg/h] se a água entra a 15ºC e sai a 35ºC.Sistemas de Potência a Vapor 48 Exemplo 8. d. A eficiência térmica. c.2 – Análise de um Ciclo de Rankine com Irreversibilidades • Reconsidere o Exemplo 8. • Utiliza-se vapor como fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine. • Para o ciclo modificado. O vapor saturado entra na turbina a 8. incluindo a eficiência isentrópica da turbina e da bomba de 85%. Sistemas de Potência a Vapor 49 Exemplo 8.2 – Análise de um Ciclo de Rankine com Irreversibilidades . Sistemas de Potência a Vapor 50 Exemplo 8.7432 2s 1794.2 – Análise de um Ciclo de Rankine com Irreversibilidades Volume Entalpia Entropia nº Específico (kJ/kg) (kJ/kg) (m³/kg) 1 2758. 169. 7.39x106 hg/h .2 MW d.2 4 183.3613 a. 37.75 MW 218.30 3 173.77 MW 318.3 x 106 hg/h 9. 269.5926 1.449 x 105 kg/h c.00 5.80 s1=s2s 2 1939.77 x 105 kg/h 4.1 % 31.9391 s3=s4s Item Exemplo 8.88 0.4 % b.1 Exemplo 8.0084 x 10-3 4s 181.2 MW e. 3. gl/2FqZVm mabacz@gmail. 51 Termodinâmica II MCA 8767 SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR MELHORIA DO DESEMPENHO 2015/02 Marcelo Aiolfi Barone https://goo.com //
[email protected] . • Plantas supercríticas. • Reaquecimento. uma vez que. . • São consideradas as modificações no ciclo conhecidas como: • Diminuição da Pressão do Condensador ou Aumento da Pressão na Caldeira. 52 Sistemas de Potência a Vapor • Os ciclos de potência a vapor considerados até aqui não descrevem fielmente as plantas de potências reais. • Ciclo de Potência a Vapor Regenerativo. • Superaquecimento. várias modificações são incorporadas a fim de aumentar o desempenho. . • É pratica comum manter um título de pelo menos 90% (x>0.Melhoria do Desempenho 53 Diminuição da Pressão do Condensador ou Aumento da Pressão na Caldeira • Um aumento da pressão na caldeira ou uma diminuição da pressão no condensador pode resultar em uma redução do título do vapor na saída da turbina.9) na saída da turbina. • As modificações no ciclo proporcionam pressões de operação vantajosas na caldeira e no condensador. e ainda eliminam o problema de título baixo na saída da turbina. Melhoria do Desempenho 54 Diminuição da Pressão do Condensador ou Aumento da Pressão na Caldeira • Diminuição da Pressão do Condensador • Aumento da Pressão na Caldeira . • Esse acréscimo de energia é realizado em trocador de calor separado chamado superaquecedor que combinado com a caldeira é conhecido como gerador de vapor. uma energia adicional pode ser somada por transferência de calor para o vapor. trazendo-o a uma condição de vapor superaquecido na entrada da turbina. .Melhoria do Desempenho 55 Superaquecimento • Uma vez que não há restrição quanto há existência de vapor saturado na entrada da turbina. portanto.Melhoria do Desempenho 56 Superaquecimento • O ciclo com superaquecimento apresenta uma temperatura média mais alta. • O título no estado 2’ na saída da turbina é maior do que no estado 2. uma eficiência térmica é maior. . 1 MPa). • A melhoria dos materiais e dos métodos de fabricação tem permitido um aumento significativo do limite máximo das tempera- turas do ciclo e das pressões no gerador de vapor. • Esse progresso atual permite que as plantas de potência possam operar com pressões no gerador de vapor superiores à pressão crítica da água (22. .Melhoria do Desempenho 57 Plantas Supercríticas • A temperatura do vapor que entra na turbina sofre restrições devidas às limitações metalúrgicas impostas pelos materiais utilizados na fabricação dos equipamentos. • Correspondendo em aumento na eficiência térmica. • Uma alta pressão no gerador de vapor requer tubulações que possam suportar grandes tensões a temperaturas elevadas. Melhoria do Desempenho 58 Plantas Supercríticas • De acordo com o Processo 6-1. • Atualmente. • Logo não ocorre qualquer mudança de fase durante esse processo. • É utilizado uma caldeira em que a água flui através de tubos gradualmente aquecidos. a geração de vapor ocorre a uma pressão acima da pressão crítica da água. as plantas produzem: • 30 MPa – 600ºC – 47% eficiência • Utilizando superligas: • 35 MPa – 750ºC – >50% eficiência . • O ciclo ideal com reaquecimento. o vapor não se expande até a pressão do condensador em um único estágio. uma planta de potência pode tirar proveito do aumento de eficiência.Melhoria do Desempenho 59 Reaquecimento • Com o reaquecimento. . resultante de pressões maiores na caldeira e ainda evitar um título baixo para o vapor na saída da turbina. • O título do vapor na saída da turbina é aumentando. • Após o reaquecimento. • O vapor então reaquecido no gerador de vapor (Processo 2-3). Em condições ideais. o vapor se expande em um turbina no segundo estágio até a pressão do condensador (Processo 3-4). não haverá queda de pressão durante o reaquecimento.Melhoria do Desempenho 60 Reaquecimento • O vapor se expande através de uma turbina no primeiro estágio (Processo 1-2) até um valor de pressão entre as pressões do gerador de vapor e do condensador. . Melhoria do Desempenho 61 Reaquecimento . aumenta também o título na saída da turbina a vapor (baixa) .Melhoria do Desempenho 62 Reaquecimento • A temperatura média na qual o calor é transferido durante o reaquecimento aumenta com o número de estágios de reaquecimentos. • Além do aumento da temperatura máxima de adição de calor do ciclo. 3 – Desempenho de um Ciclo ideal com Reaquecimento • O vapor d’água é o fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine com superaquecimento e reaquecimento.0 MPa e 480 ºC.7 MPa. • A vazão mássica do vapor [kg/h]. é reaquecido até 440 ºC antes de entrar na turbina do segundo estágio. Determine: • A eficiência térmica do ciclo. e se expande até 0. .Sistemas de Potência a Vapor 63 Exemplo 8. onde se expande até a pressão do condensador de 0. A potência líquida na saída é de 100 MW. Em seguida.008 MPa. O vapor entra na turbina do primeiro estágio a 8. • A taxa de transferência de calor que passa pelo condensador [Qsai] [MW]. Sistemas de Potência a Vapor 64 Exemplo 8.3 – Desempenho de um Ciclo ideal com Reaquecimento . gl/2FqZVm
[email protected] // prh29.ufes@gmail. 65 Termodinâmica II MCA 8767 SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR MELHORIA DO DESEMPENHO 2015/02 Marcelo Aiolfi Barone https://goo.com . • Tipos de aquecedores de água de: • Alimentação abertos. • O fluido de trabalho entra na caldeira como líquido comprimido no estado 4 e é aquecido enquanto estiver na fase líquida até o estado a. • Regenerativo: o fluido entra na caldeira em um estado entre 4 e a. a aumentar a eficiência térmica. • Alimentação múltiplos. . 66 Ciclo de Potência a Vapor Regenerativo • Outro método utilizado para aumentar a eficiência térmica das plantas de potência a vapor é o aquecimento regenerativo da água de alimentação. tendendo. • A temperatura média de acréscimo de calor é aumentada. • Alimentação fechados. .Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 67 Introdução • Um aquecedor de água de alimentação aberto é um trocador de calor tipo contato direto no qual correntes a diferentes temperaturas se misturam para formar uma corrente a uma temperatura intermediária. • Ainda assim. existe uma fonte de irreversibilidade devido à mistura no aquecedor de água de alimentação. • Sem queda de pressão • Gerador de vapor. bombas. condensador. aquecedor de água de alimentação. • O fluido de trabalho passa • Isentropicamente • Turbina. onde é extraída (ou sangrada).Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 68 Processo • O vapor entra no estado 1 e se expande até o estado 2. . no estado 5. • O restante do vapor se expande através da turbina de segundo estágio até o estado 3. • Uma fração do escoamento é desviada para o aquecedor de água aberto que opera a uma pressão da extração (p2). • Uma única corrente misturada deixa o aquecedor de água no estado 6. • Essa parcela é totalmente condensada para líquido saturado (estado 4). • Em seguida bombeada para a pressão de extração e introduzida no aquecedor de água aberto. . • O líquido no estado 6 é bombeado até a pressão do gerador de vapor e entra nesse gerador no estado 7. • E por fim.Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 69 Processo • As vazões mássicas das correntes que entram no aquecedor de água são tais que o estado 6 é de líquido saturado à pressão de extração (p2). o fluido de trabalho é aquecido do estado 7 para o estado 1 no gerador de vapor. somente parte do escoamento se expande no segundo estágio da turbina (Processo 2-3). • Na prática. . resultando em menor trabalho desenvolvido.Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 70 Processo • O acrescimento de calor que ocorria do Processo 7-1. as condições de operação são escolhidas de maneira que a redução no calor adicionado supere com vantagem a diminuição do trabalho líquido desenvolvido. a quantidade de energia fornecida pela queima do combustível seria menor. resultando em maior eficiência térmica. • Dessa maneira. • Porém. em vez do Processo a-1. Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 71 Processo . • Na turbina: 𝑚2 + 𝑚3 = 𝑚1 𝑚2 𝑚3 𝑚2 + =1 𝑦= 𝑚1 𝑚1 𝑚1 𝑚3 =1−𝑦 𝑚1 • Onde y pode ser determinado pelo balanço de massa e energia no aquecedor de água. 0 = 𝑦ℎ2 + 1 − 𝑦 ℎ5 − ℎ6 ℎ6 − ℎ5 𝑦= ℎ2 − ℎ5 .Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 72 Análise do Ciclo • Uma etapa importante na análise de qualquer ciclo a vapor regenerativo é o cálculo das vazões mássicas. Aquecedores de Água de Alimentação Abertos 73 Análise do Ciclo • Expressões para os principais trabalhos e transferência de calor Turbina 𝑊𝑡 = ℎ1 − ℎ2 + 1 − 𝑦 ℎ2 − ℎ3 𝑚1 Bomba 𝑊𝑏 = ℎ7 − ℎ6 + 1 − 𝑦 ℎ5 − ℎ4 𝑚1 Transferência de Calor 𝑄𝑖𝑛 = ℎ1 − ℎ7 𝑚1 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 1 − 𝑦 ℎ3 − ℎ4 𝑚1 . elas podem se apresentar com pressões diferentes. . • Uma vez que as duas correntes não se misturam. • Purgador é um tipo de válvula que permite apenas a passagem de líquido para uma região de pressão mais baixa.Aquecedores de Água de Alimentação Fechados 74 Introdução • Os aquecedores fechados são recuperadores do tipo casca e tubo nos quais a temperatura da água de alimentação aumenta conforme o vapor extraído se condensa no exterior dos tubos que transportam a água de alimentação. • Com exceção da expansão através do purgador. . o fluido de trabalho passa isentropicamente através dos estágios da turbina e bombas.Aquecedores de Água de Alimentação Fechados 75 Introdução • Neste ciclo (ciclo de potência a vapor regenerativo com aquecedor de água de alimentação fechado com condensado purgado). • Não há quedas de pressão associadas ao escoamento através dos outros componen- tes. onde se junta à fração do escoamento total que passa pela turbina de segundo estágio. uma fração do escoamento é sangrada para o aquecedor fechado. é indicada por uma linha tracejada. . • Nesse ponto. onde se condensa. • O condensado é então purgado para o condensador. • A expansão do estado 7 para o estado 8 é irreversível e. por esta razão.Aquecedores de Água de Alimentação Fechados 76 Processo • O escoamento total de vapor se expande através da turbina de primeiro estágio desde o estado 1 até o estado 2. • O líquido saturado à pressão de extração sai do aquecedor no estado 7. que sai no estado 6. • A temperatura da água de alimentação é aumentada na passagem pelo aquecedor. existe uma fonte de irreversibilidade devida à diferença de temperatura de uma corrente para outra. • Embora o aquecedor fechado mostre na figura que opera sem queda de pressão em ambas as correntes.Aquecedores de Água de Alimentação Fechados 77 Processo • O escoamento total que sai do condensa- dor como líquido saturado no estado 4 é bombeado até a pressão do gerador de vapor e entra no aquecedor no estado 5. . • O ciclo se completa quando o fluido de trabalho é aquecido no gerador de vapor a pressão constante do estado 6 até o estado 1. 0 = 𝑦 ℎ2 − ℎ7 + ℎ5 − ℎ6 ℎ6 − ℎ5 𝑦= ℎ2 − ℎ7 .Aquecedores de Água de Alimentação Fechados 78 Análise do Ciclo • y pode ser determinado pelo balanço de massa e energia no aquecedor de água. Aquecedores de Água de Alimentação Fechados 79 Processo . . tubulações.Aquecedores de Água de Alimentação Múltiplos 80 Introdução • A eficiência térmica do ciclo regenerativo pode ser aumentada pela incorporação de vários aquecedores de água de alimentação a pressão apropriadamente escolhidos. bombas. etc) para aumentar a eficiência térmica. • Cada aquecedor adicional deve justificar o aumento de capital investido (aquecedor. de modo que o oxigênio e outros gases dissolvidos possam ser retirados. • É necessário para manter a pureza do fluido de trabalho. . procedimento este conhecido como desaeração.Aquecedores de Água de Alimentação Múltiplos 81 Introdução • A planta de potência possui três aquecedores de água de alimentação fechados e um aquecedor aberto. • Em plantas com muitos aquecedores têm pelo menos um aquecedor aberto operando a uma pressão superior da atmosférica. minimizando a ocorrência de corrosão. Aquecedores de Água de Alimentação Múltiplos 82 Introdução . o que tende a limitar a vazão mássica necessária para uma potência de saída desejada. por ser: • Abundante. • Quimicamente estável. • De baixo custo. • Com a água. . • Além disso. a potência de bombeamento é tipicamente baixa e as técnicas de superaquecimento. • Não Tóxica. • Relativamente não corrosiva.Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 83 Fluido de Trabalho • A água desmineralizada é utilizada como o fluido de trabalho na grande maioria dos sistemas de potência. reaquecimento e regeneração são efetivas para aumentar a eficiência da planta de potência. a água apresenta uma variação de entalpia específica relativamente elevada quando se vaporiza às pressões encontradas no gerador de vapor. • Refrigerantes (amônia. • Embora a água apresente algumas deficiências como fluido de trabalho. e assim a temperatura média de adição de calor. • Os ciclos de Rankine Orgânicos empregam substâncias orgânicas como fluido de trabalho: • Pentano. . não foi encontrado qualquer outro fluido que seja mais satisfatório em termos gerais para usinas geradoras de eletricidade. • Incluindo o calor residual das indústrias. • O fluido de trabalho orgânico é selecionado para atender às exigências da aplicação particular. • Misturas de hidrocarbonetos. óleo de silicone). por exemplo: • O ponto de ebulição relativamente baixo dessas substâncias permite ao ciclo de Rankine produzir potência a partir de fontes de baixa temperatura.Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 84 Fluido de Trabalho • A alta pressão crítica da água (22. a água quente geotérmica e os fluidos aquecidos por coletores solares.1 MPa) tem representado um desafio aumentar a eficiência térmica pelo aumento da pressão no gerador de vapor. Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 85 Fluido de Trabalho • Um ciclo a vapor binário conjuga dois ciclos a vapor. . de modo que a energia descarregada por transferência de calor de um dos ciclos é a entrada para o outro. . • São amplamente desenvolvidos: • Indústrias. a partir de um único combustível de entrada. • Motores de combustão interna alternativos.Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 86 Cogeração • A sociedade pode utilizar combustíveis de maneira mais eficiente por meio do maior uso dos sistemas de cogeração. • Também conhecidos como sistemas combinados de calor e energia. fábricas de papel. indústria de produção de alimentos. • Os sistemas de cogeração podem ser baseados: • Nas plantas de potência a vapor. • Aquecimento urbano. • Nas plantas de potência a turbina a gás. • Células combustíveis. refinarias. • Os sistemas de cogeração são sistemas integrados que fornecem simultaneamente dois produtos de valor: eletricidade e vapor (ou água quente). Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 87 Cogeração Planta de Contrapressão de Aquecimento Urbano • A planta assemelha-se à planta do ciclo de Rankine básico. a energia liberada no condensador é aproveitada para produzir vapor a ser exportado para as comunidades. com uma importante diferença. . Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 88 Cogeração Planta de Extração de Aquecimento Urbano • A planta assemelha-se à planta do ciclo de ciclos de potência a vapor regenerativo. O vapor extraído supri a necessidade de aquecimento urbano. . Quando não houver demanda por aquecimento.Outros Aspectos do Ciclo de Potência a Vapor 89 Cogeração • Para as condições fixas de entrada na turbina e de vazão mássica. . a fração y é para atender a uma necessidade de aquecimento urbano. pode-se expandir todo vapor gerado na turbina. O restante do vapor se expande pela turbina de segundo estágio até a pressão do condensador de 6 kPa.40 – 7ªed • Uma planta de potência opera sob um ciclo de potência a vapor regenerativo com um aquecedor de água de alimentação aberto. para o ciclo: a. e se expande até 1 MPa. A eficiência térmica. b. onde parte do vapor é extraída e desviada para o aquecedor de água de alimentação aberto que opera a 1 MPa.Sistemas de Potência a Vapor 90 Exercícios 8. Considerando processos isentrópicos nas turbinas e bombas determine. Vazão mássica na turbina de primeiro estágio [kg/h] para uma potência líquida de saída de 330 MW. . O vapor d’água entra na turbina de primeiro estágio a 12 MPa e 520ºC. 0 MPa e 480ºC e se expande até 0. • A vazão mássica de vapor que entra no primeiro estágio de turbina [kg/h]. O vapor d’água entra na turbina a 8.7 MPa.5 - • Considere um ciclo de potência a vapor regenerativo com um aquecedor de água de alimentação aberto. . determine: • A eficiência térmica.7 MPa.Sistemas de Potência a Vapor 91 Exercícios 8. A eficiência isentrópica de cada estágio de turbina é 85% e cada bomba opera isentropicamente. na qual parte do vapor é extraído e desviado para o aquecedor de água de alimentação aberto que opera a 0. Se a potência líquida produzida pelo ciclo é de 100 MW.