Upload
hathuy
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Modelando Sistemas de Potência a Vapor◦A grande maioria dasinstalações elétricas degeração consiste emvariações das instalaçõesde potência a vapor nasquais a água é o fluidode trabalho.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine
◦O ciclo Rankine modelaos ciclos de geração depotência a vapor,apresentado na figuracomo A.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine
◦O ciclo Rankine é compostofundamentalmente por quatrocomponentes:◦ Caldeira (aquecedor);
◦ Turbina;
◦ Condensador;
◦Bomba.
Prof.: Kaio Dutra
◦O vapor entra no estado 1, tendo umapressão e temperatura elevadas, seexpande através da turbina para produzirtrabalho e então é descarregado nocondensador no estado 2.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Turbina
◦No condensador há transferência de calordo vapor para a água de arrefecimentoescoando em uma corrente separada. Ovapor é condensado e a temperatura daágua de arrefecimento aumenta.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Condensador
◦O líquido condensado que deixa ocondensador em 3 é bombeado docondensador para a caldeira a uma pressãomais elevada.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Bomba
◦O fluido de trabalho completa o cicloquando o fluido de trabalho que deixa abomba em 4 é aquecido até a saturação eevaporado na caldeira.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a Vapor O Ciclo Rankine – Caldeira
◦Eficiência Térmica:◦A eficiência térmica mede o percentual através
do qual a energia fornecida ao fluido detrabalho é convertida em trabalho líquidodisponível.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho
◦Eficiência Térmica:◦ Em um ciclo fechado o trabalho líquido é igual
ao calor líquido fornecido. Assim, a eficiênciatérmica pode ser expressa alternativamentecomo:
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho
◦Taxa de Calor:◦ É a quantidade de energia adicionada ao ciclo
por transferência de calor para produzir umaunidade de trabalho disponível (Btu/KWh).
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho
◦Razão de Trabalho Reverso (bwr):◦ É definido como a razão entre o trabalho
entregue a bomba e o trabalho desenvolvidopela turbina.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine – Parâmetros de Desempenho
◦Se o fluido de trabalho passa através devários componentes do ciclo simples depotência a vapor sem irreversibilidades, asquedas de pressão devidas ao atritoestariam ausentes na caldeira e nocondensador.
◦Também na ausência de irreversibilidadese trocas de calor para a visinhaças, osprocessos através da turbina e bombaseriam isentrópicos.
◦Um ciclo que segue estas idealizações é ociclo de Rankine Ideal.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine Ideal
◦Processos do ciclo Rankine Ideal:◦ Processo 1-2: Expansão isentrópica;
◦ Processo 2-3: Transferência de calor dofluido de trabalho à medida que ele escoa apressão constante (isobárica);
◦ Processo 3-4: Compressão isentrópica;
◦ Processo 4-1: Transferência de calor para ofluido de trabalho à medida que ele escoa apressão constante (isobárica).
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporO Ciclo Rankine Ideal
◦Vapor d’água é o fluido de trabalho em um ciclo Rankine ideal. Vaporsaturado entra na turbina a 8MPa, e líquido saturado deixa ocondensador a uma pressão de 0,008MPa. A potência líquidadesenvolvida pelo ciclo é 100MW. Determine, para o ciclo:◦ A) A eficiência térmica.◦ B) A razão de trabalho reversa.◦ C) A vazão em massa Kg/h.◦ D) O calor absorvido na caldeira.◦ E) O calor retirado no condensador.◦ F) A vazão mássica de água de arrefecimento do condensador, em Kg/h, se a água entra no
condensador a 15°C e sai a 35°C.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.1
◦ A) A eficiência térmica.
◦ B) A razão de trabalho reversa.
◦ C) A vazão em massa Kg/h.
◦ D) O calor absorvido na caldeira.
◦ E) O calor retirado no condensador.
◦ F) A vazão mássica de água dearrefecimento do condensador, emKg/h, se a água entra no condensadora 15°C e sai a 35°C.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.1
◦Pode-se obter uma expressão para a eficiência térmica emtermos de temperaturas médias durante os processos deinteração térmica:
◦Para o aquecimento (caldeira):
◦Para o resfriamento (condensador):
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador
◦A eficiência térmica do ciclo de Rankine ideal pode ser escrita emfunção das transferência de calor como:
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador
◦Concluímos que a eficiência térmica dociclo ideal tende a aumentar à medidaque a temperatura média na qual aenergia é adicionada por transferênciade calor aumenta e/ou a temperatura naqual a energia é rejeitada diminui
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador
◦A figura mostra dois ciclos com a mesmapressão no condensador, mas pressõesdiferentes na caldeira.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador
◦A figura mostra dois ciclos com a mesmapressão na caldeira, mas pressõesdiferentes no condensador.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporEfeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador
◦As equações abaixo mostram ocálculo da eficiência térmica dociclo de Carnot e do ciclo RankineIdeal.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot
◦O ciclo Rankine Ideal diverge do cilo deCarnot em principalmente dois pontos:◦A primeira parte do processo de
aquecimento do ciclo de Rankine mostrado(4-4’) é obtido pelo resfriamento dosprodutos de combustão abaixo datemperatura máxima TH. Com o ciclo deCarnot, contudo, os produtos de combustãoseriam resfriados até TH.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot
◦O ciclo Rankine Ideal diverge do cilo deCarnot em principalmente dois pontos:◦A segunda deficiência envolve o processos
de bombeamento. Observe que no estado 3’existe uma mistura de líquido e vapor, o quegera uma complicação no bombeamento.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporComparação com o Ciclo de Carnot
◦As irreversibilidade estão presentesem cada um dos componentes queintegram o ciclo, bem como nastubulações que os interligam.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais
◦Turbina: A principal irreversibilidadedo fluido de trabalho está associadaà expansão na turbina. Isto é devido,principalmente, aos processosinternos de expansão nas pás. Aeficiência isentrópica permite levarem conta o efeito dasirreversibilidades na turbina:
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais
◦Bomba: O trabalho necessáriofornecido à bomba para vencer osefeitos de atrito interno tambémreduz a potência líquida disponível.Desta forma, o trabalho fornecido aosistema é maior que o necessário,caso não houvesse irreversibilidadesna bomba.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais
◦Outros desvios das idealizações: Asirreversibilidades da turbina e dabomba, são denominadasirreversibilidades internas. Porém, asfontes de irreversibilidades maissignificativas para uma instalação depotência a vapor estão associadasaos sistemas externos.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais
◦Outros desvios das idealizações:◦A principal irreversibilidade está
associada a combustão do combustívele a transferência de calor posterior dosprodutos de combustão para o fluidode trabalho.
◦Outras irreversibilidades estãoassociadas as perdas de calor pelascarcaças dos componentes quentes dosistema e as perdas de carga nastubulações.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais
◦Outros desvios das idealizações:
◦Um outro efeito é verificado noestado 3. Neste caso, a temperaturado fluido de trabalho que sai docondensador seria menor que atemperatura de saturação, o queaumentaria a quantidade de calornecessário na caldeira.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporIrreversibilidade e Perdas Principais
◦ Reconsidere o ciclo de potência de vapor do Exemplo8.1, mas inclua na análise que a turbina e a bombapossuem uma eficiência isentrópica de 85%, cadauma. Determinar para o ciclo modificado:◦ (a) o rendimento térmico.◦ (b) a vazão mássica de vapor, em kg/h para uma potência
útil líquida de 100 MW.◦ (c) a taxa de transferência de calor para o fluido de trabalho
à medida que passa através da caldeira, em MW◦ (d) a taxa de transferência de calor do vapor de
condensação à medida que passa através do condensador,em MW
◦ (e) o fluxo de massa da água de arrefecimento docondensador, em kg/h, se a água de arrefecimento entrar nocondensador a 15 ° C e sair a 35 °C.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.2
◦ (a) o rendimento térmico.◦ (b) a vazão mássica de vapor, em kg/h para uma
potência útil líquida de 100 MW.◦ (c) a taxa de transferência de calor para o fluido de
trabalho à medida que passa através da caldeira,em MW
◦ (d) a taxa de transferência de calor do vapor decondensação à medida que passa através docondensador, em MW
◦ (e) o fluxo de massa da água de arrefecimento docondensador, em kg/h, se a água de arrefecimentoentrar no condensador a 15 ° C e sair a 35 °C.
Prof.: Kaio Dutra
Analisando Sistemas de Potência a VaporExemplo 8.2