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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)
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
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%
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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
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
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;
EFEITO DA PRESSÃO E TEMPERATURA NO CICLO RANKINE
Aumento de rendimento
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
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
EFEITO DA PRESSÃO E TEMPERATURA NO CICLO RANKINE
EFEITO DA PRESSÃO E TEMPERATURA NO CICLO RANKINE
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%
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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:
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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
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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.
AFASTAMENTO DO CICLO REAL EM RELAÇÃO AO IDEAL
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
AFASTAMENTO DO CICLO REAL EM RELAÇÃO AO IDEAL
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.
AFASTAMENTO DO CICLO REAL EM RELAÇÃO AO IDEAL
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.
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
Ef= 29,2%
Exemplo 11.5
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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:
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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.
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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).
CONFIGURAÇÕES DE CICLO DE REFRIGERAÇÃO
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;
CONFIGURAÇÕES DE CICLO DE REFRIGERAÇÃO
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)
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
CICLO BRAYTON – EFICIÊNCIA COMPRESSOR E TURBINA
CICLO SIMPLES DE TURBINA A GÁS COM REGENERADOR
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
EFICIÊNCIA DO REGENERADOR
CONFIGURAÇÃO DO CICLO DA TURBINA A GÁS PARA CENTRAIS DE POTÊNCIA
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
ARRANJOS PARA TURBINA A GÁS PARA CENTRAIS DE POTÊNCIA
Termodinâmica - Van Wylen, Borgnakke, Sonntag
CICLO PADRÃO AR PARA TURBINAS DE AERONAVES
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CICLO OTTO
CICLO OTTO
CICLO DIESEL
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CICLO STIRLING (combustão externa)
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