Plantas de Potência - Aula_51_planta Potencia

8/16/2019 Plantas de Potência - Aula_51_planta Potencia

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Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Análise de ciclos de potência


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Motores (ou máquinas)dispositivos usados para produzir potência

Ciclos termodinâmicosciclos de potência

Ciclos a gás ou a vaporconforme fase do fluido de trabalho

Ciclos fechados ou abertosfechados: fluido circula no cicloabertos: fluido é renovado a cada ciclo (mecânico)

Máquinas de combustão interna ou externainterna: queima do combustível dentro das fronteiras do

sistema (ex. motores de automóveis)externa: calor é fornecido ao fluido de trabalho de umafonte externa (ex.usinas a vapor)


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Planta simples de potência a vapor:

Objetivo: produção de trabalho mecânico no eixo da TURBINA

Ciclo fechado (ciclo termodinâmico), combustão externa

Fluido de trabalho: água ( vapor e líquido)

Vapor ( T, p)

Líquido ( T, p)

Água decirculação

Condensador

Bomba

Caldeira

Ar +Combustível

Turbina

Superaquecedor

Potência

T W

sQ

BW

eQ

1

2

3

4

Vapor Sat ( T, p)

Líquido ( T,p)

A água entra

na caldeiracomo líquido a baixatemperatura e alta pressão(ponto 2), saindo como vapor a alta pressão e altatemperatura (ponto 3).

O calor é transferido ao

fluido (q B), enquantopermanece a uma pressãoaproximadamenteconstante.

Gases deexaustão

Válvula

Superfície decontrole CY

senet QQW

Superfíciede controleZ


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Considerando os fluxos de energia cruzando o volume de controle daplanta (caldeira, válvula, turbina, condensador e bomba), umarepresentação mais simples pode ser:

O objetivo desse ciclo (ou da planta de potência) é produzirtrabalho de saída (positivo), enquanto calor é transferido de umafonte quente (caldeira) e rejeitado no condensador para uma“bacia térmica” a baixa temperatura (água de arrefecimento,

atmosfera,etc.).

Qe: calor fornecido para caldeira (fontede alta T)

Qs: calor rejeitado para água dearrefecimento no condensador (fonte de

baixa T) W net: trabalho líquido

W net= W T - W B

W T = trabalho produzido na turbina

W B =trabalho consumido pela bomba

Qe

W net

Qs


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A maioria das plantas de potência a gás são do tipo combustão interna (oude circuito aberto), com os produtos da combustão passando diretamente

através da turbina.

- O sistema não é cíclico, já que os reagentes (combustível e ar) cruzam o volume de controle na entrada, enquanto os produtos da combustão (gasesde exaustão) deixam essa superfície na saída

- Somente trabalho (e não calor) cruzam a mesma superfície.

- Os gases de exaustão (quentes) transportam energia.

Planta de potência a GÁS:

Câmara decombustão

Compressor Turbina

Gases deexaustão(produtos)

Superfície de controle

Combustível

Ar

C T )W W ( W C T net


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Em uma planta de potência a gás com combustão externa (ou circuitofechado), os produtos da combustão não passam diretamente pela turbina.

Após deixarem a câmara de combustão, eles passam por um trocador decalor onde há uma transferência de calor desses gases para um fluido

gasoso, geralmente ar, fornecido por um compressor. Esse fluido circula emum ciclo fechado

Qs

Câmara de

combustão

Gases de exaustão

Qe

Águarefriamento

Turbinaaquecedor

resfriador

Compressor

W net =W T -W C

CombustívelAr

Superfície decontrole CY

Superfície decontrole Z

C T


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Esse ciclo possui semelhanças com o ciclo à vapor:

- A câmara de combustão e o trocador de calor (aquecedor) fazem o papelda caldeira no ciclo à vapor;

- O resfriador faz o papel do condensador;- O compressor faz o papel da bomba de alimentação da água para a

caldeira.

Pelo fato de utilizar um fluido que permanece gasoso no ciclo, a rejeição decalor não ocorre à temperatura constante.

Qe

W net

Qs

Fonte a alta T (TQ)

Sumidouro a baixa T (TF)


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Ciclos ideal e real

Quando todas as irreversibilidades e complexidades são removidas dociclo real, ficamos com um ciclo que se parece muito com o real, mas queé formado totalmente por processos internamente reversíveis,denominado ciclo ideal

O modelo idealizado simples permite estudar os efeitos dos principais

parâmetros que dominam o ciclo As conclusões das análises para os ciclos ideais se aplicam para os reais

Ciclo de Carnot de máquinas térmicas – 1º ciclo reversível proposto(4 processos reversíveis)

Ciclo Rankine: ciclo ideal das plantas de potência à vapor

Ciclo Brayton: ciclo ideal das plantas de potência à gás


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Eficiência térmica e “heat rate”:

As máquinas térmicas foram desenvolvidas com a finalidade de converterenergia térmica em trabalho, e seu desempenho é expresso em termos deeficiência térmica

O desempenho de uma planta de potência, analisado a partir do volumede controle (superfície de controle CY) das figuras anteriores, é dadoatravés da eficiência térmica do ciclo, , definida como a relação entre otrabalho líquido e o calor recebido da fonte quente:

(1)

Uma medida alternativa de desempenho, largamente utilizada para aanálise da eficiência de conversão em plantas de potência, é a “heat rate”.

É a quantidade de calor fornecida em Btu´s para gerar 1 kWh deeletricidade. Quanto menor a “heat rate” maior a eficiência.

Se 1 kWh= 3412 Btu:

(2)

(3)

T

)kWh / Btu(

)kWh / Btu(

T


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Se T for igual a 100%, significa que W net = Qe, assim não haveriarejeição de calor para a “ bacia térmica”. Essa condição viola o enunciadoda 2a. Lei da Termodinâmica.

Para uma planta ideal (reversível), o rendimento depende somente das

temperaturas médias de ganho e rejeição de calor.

Se:

Mesmo para essa condição ideal, o rendimento máximo T poderá ser daordem de 20 a 30%.

Idealizações e simplificações normalmente empregadas:

O ciclo não envolve qualquer atrito, assim o fluido não sofre queda depressão ao escoar em tubos ou dispositivos como trocadores de calor

Todos os processos de expansão ou compressão ocorrem de forma quaseestática

Os tubos que conectam os componentes são bem isolados e a

transferência de calor ao longo deles é desprezível.

F

Q

rev F

Q

T

T

Q

Q

Q

F

Q

F T

T

T 1

Q

Q1


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Rendimento do dispositivo de aquecimento

Considerando que o dispositivo dentro do volume de controle Z (superfíciede controle Z) se comporte como um dispositivo de aquecimento em regimepermanente, para o qual são fornecidos os reagentes (combustível e ar),

enquanto descarrega os produtos da combustão e fornece a energia (Qe)para aquecer o fluido que circula pelo ciclo.

A quantidade de calor transferida, por unidade de massa do combustívelutilizado é igual ao seu poder calorífico (PC, em kJ/kg). Como os produtos dacombustão sempre saem com temperaturas maiores que a dos reagentes,

por questões econômicas ou outras, Qe é sempre menor que PC.O desempenho do dispositivo de aquecimento será definido como a relaçãoentre a quantidade de calor fornecida pelo dispositivo, por unidade demassa do combustível queimado, e o seu poder calorífico, ou:

(4)

Qe

Gases deexaustão

Ar +Combustível

Caldeira

Fornalha

Superfície decontrole Z

mPC

Qe B

B


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Rendimento da planta (rendimento global) :

Os elementos contidos nos volumes de controle (superfícies de controle Y eZ) constituem uma planta de potência (simples), projetada para produzirtrabalho a partir da energia liberada durante a combustão do combustível.

O rendimento global da planta pode ser definido a partir dos rendimentos vistos anteriormente e definido como a relação entre o trabalho líquidoproduzido, por unidade de massa de combustível utilizado e o podercalorífico do combustível:

Substituindo W net (Eq. 1) e mPC (Eq. 4):

(5)

(6)

mPC W net

g

BT Be

eT g

/ Q

Q

g


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O valor de 100% serve como critério para avaliar o desempenho do dispositivo deaquecimento (caldeira ou câmara de combustão + trocador) .

Já o critério para avaliar o desempenho térmico da planta, será o rendimento de

uma planta de potência ideal à vapor, alimentada com vapor na mesmatemperatura e pressão e com a dissipação de calor na mesma pressão docondensador de uma planta real. Nestas condições, a planta ideal deve fornecer omaior trabalho líquido possível para uma determinada entrada de calor.

Ciclos ideais – diagrama de representação dos processos

O diagrama T x s é útil como auxílio visual na análise de ciclos de potência ideais.Um ciclo de potência ideal não envolve nenhuma irreversibilidade interna, assim,o único efeito capaz de variar a entropia do fluido de trabalho durante umprocesso é a transferência de calor.

No diagrama T x s um processo de fornecimento de calor acontece na direção doaumento de entropia e um processo de rejeição de calor acontece na direção dadiminuição de entropia e um processo isoentrópico (internamente reversível eadiabático) acontece com entropia constante.

B

T


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Ciclo de Rankine ideal – ciclo reversível de uma planta de potência:

Internamente reversível: não há perdas de carga na caldeira, condensadorou tubulação e não há atrito no escoamento através da turbina e da bombade alimentação de água. Não há perda de calor através das superfícies dequalquer elemento da planta para o meio.

A expansão na turbina e a compressão pela bomba serão processosadiabáticos e sem atrito, ou seja, serão processos isoentrópicos.

(7)

Para efeitos de comparação, o ciclo será considerado internamentereversível (desprezando a temperatura da fonte quente na qual acontecea transferência de calor para o fluido de trabalho e a temperatura dafonte fria, na qual acontece a TC do fluido de trabalho ), mas comirreversibilidades externas devido às diferenças de temperatura.

e

se

e

net CY

Q

QQ

Q

W

56

7

eQ

sQ

s ,turbW

e ,bombW


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Ciclo de Rankine ideal:

A análise do ciclo, considerando regime permanente, pode ser feita atravésdas equações do balanço de energia para os componentes do ciclo

(sistemas abertos):(Qe - Qs) + (We - Ws) = hs - he (em kJ/kg)

1. Processo ideal na turbina e na bomba de alimentação:

Para um processo reversível e adiabático, portanto isoentrópico, deexpansão ou compressão, em regime permanente:

Bomba (Q=0)

(8)

onde h1=hl (p1 ) e

Turbina (Q=0)

) p p( hhW 1212bomba

) p( 1l 1

43turbina hhW (9)

(kJ/kg)

(kJ/kg)


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2. Processo ideal na caldeira e no condensador:

Processo reversível em regime permanente e pressão constante comtransferência de calor para ou do fluido de trabalho. Tranferência de energiasomente por calor

Caldeira (W=0)

Condensador (W=0)

(10)

O rendimento térmico do ciclo de Rankine pode ser dado por:

onde os h’s são as entalpias, conformepontos da figura ao lado.

(12)

23e hhQ

14 s hhQ (11)

56

7

eQ

sQ

s ,turbW

e ,bombW

)hh(

)hh( )hh(

Q

W W

23

1243

e

BombTurbT

(kJ/kg)

(kJ/kg)


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A quantidade ( h2 – h1 ) corresponde ao trabalho de bombeamento porunidade de massa do fluido de trabalho é igual a

Como o volume específico da água passando através da bomba é muito

menor que o do vapor passando pela turbina, o termo acima é pequeno,principalmente para a faixa de pressão utilizada em plantas de potênciasimples.

Assim, esse termo poderia ser desprezado e a equação (12) pode ser escritacomo:

(13) )hh( )hh(

QW

23

43

e

Turb

Exemplo 1: Considere uma usina depotência a vapor d´água que operasegundo o ciclo de Rankine simples ideal.O vapor entra na turbina a 3 MPa e 350ºCe é condensado no condensador à pressãode 75 kPa. Faça um programa no EES para

determinar a eficiência térmica do ciclo


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Ciclo de Rankine ideal:

O rendimento do ciclo de Rankine ideal é o critério de comparação dorendimento medido do ciclo real. Assim, utiliza-se a relação entre orendimento do ciclo real em relação ao rendimento do ciclo ideal, chamada

relação de rendimento (ou de eficiência):

(14)ideal

real

Ciclo ideal

Ciclo real

Perda de pressãona caldeira

Irreversibilidadena turbina

Perda de pressão nocondensador

Irreversibilidadena bomba

Ciclo ideal x real - irreversibilidades


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Processo 3-3’ é isoentálpico(desprezando-se variaçõesde energia cinética).

O trabalho ideal da turbina

é reduzido então de (h3-h4)para (h3’ – h4’).

A quantidade de trabalhoreduzido aparece na figuraao lado como ’.

1. processo de estrangulamento na válvula adiabático (sem perdas de

pressão na tubulação)

Válvula3 3’

4’

4

Efeito das irreversibilidades:

Uma das principais irreversibilidades presentes no ciclo é a perda de carga noescoamento do fluido de trabalho nas tubulações e através da válvula entre acaldeira e a turbina.

Todo processo irreversível resulta em uma perda de oportunidade para aprodução de trabalho.


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2. Processo na turbina

Devido ao efeito do atrito no escoamento do vapor através dos bocais daturbina e na passagem das pás, a entalpia da saída será maior que no casoideal e, como consequência, o trabalho produzido pela turbina será menor.

O estado de saída será dado pelo ponto 4” e não mais 4’. Notar também quehouve um aumento da entropia em relação ao processo ideal. A redução dotrabalho da turbina é dado por ”.

A magnitude dessa redução pode serespecificada pela definição dorendimento isoentrópico da turbina, Turb,como a relação entre o trabalho real e otrabalho ideal da turbina. Assim:

(14)

Válvula3 3’

4’ 4

4”

ideal

real Turb

W

W

)hh(

)hh(

' 4' 3

" 4' 3

Turb

b b


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Na bomba o trabalho consumido na condição real será maior que nacondição ideal.

O rendimento isoentrópico da bomba, Bomba,como a relação entre o trabalho ideal e otrabalho real da bomba. Assim:

real

ideal Bomba

W

W

Bomba

3. Processo na bombaa


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Trabalho perdido em função das irreversibilidades:

Como a entrada de calor no ciclo independe dessas irreversibilidades(desprezando-se a T entre caldeira e fluido de trabalho) e continuasendo igual a Qe = (h3 – h2 ), a redução do trabalho líquido é igual aoincremento do calor rejeitado Qs.

Se o vapor extraído da turbina tem título


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Exemplo 2: Uma usina de potência a vapor d´água opera segundo o cicloabaixo. Se a eficiência isoentrópica da turbina é de 87% e a eficiênciaisoentrópica da bomba é 85%, determine:(a) a eficiência térmica do ciclo

(b) a potência líquida da usina para um fluxo de massa de vapor de 15 kg/s


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Aumentando o rendimento do ciclo Rankine- Aumentar a temperatura média na qual calor é transferido para o

fluido de trabalho na caldeira

- Diminuir a temperatura média na qual calor é rejeitado do fluido de

trabalho no condensador

A temperatura média do fluido deve ser a mais altapossível durante o fornecimento de calor e a mais

baixa possível durante a rejeição de calor

1 Di i i d ã d d d 4 4’


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1. Diminuindo a pressão do condensador : 4 4’

Depende da temperatura da água de arrefecimento

Condensadores operam a pressão abaixo da pressão atmosférica

Considerando um T10°C, correspondente a P 4’ psat a 25

° C (para uma

água a 15ºC)

Pontos a serem observados:

Diminui o título na saída da turbina, presença de umidade erosão nas pás e diminuieficiência da turbina.

Cria a possibilidade de infiltração de ar para o interior do condensador

4 P ' P 4

Aumento de Wnet


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2. Superaquecendo o vapor (aumento de TQ médio): 3 3’

T 3, máx 620°C;

Aumenta o W net e o fornecimento de calor devido ao superaquecimentodo vapor;

Aumenta o título na saída da turbina, diminui a umidade.

Aumento de Wnet


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3. Aumentando a pressão na caldeira (aumento de TQ médio): 3 3’

aumenta pressão, aumenta temperatura de ebulição do vapor;

efeitos indesejados Diminui o título na saída da turbina erosão nas pás

Diminui o W net ;

P 3 atual 30 MPa (P>Pcrítica=22,06 MPa)

atuais: 40% usinas a combustíveis fósseis e 38% usinas nucleares

Aumentode Wnet

Diminuiçãode Wnet


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Exemplo 3: Considere uma usina de potência a vapor d´água que opera segundoo ciclo de Rankine simples ideal do Exemplo 1 (p3=3 MPa e 350ºC e p4=75 kPa), verifique os seguintes efeitos sobre a eficiência do ciclo:

a) Diminuição da pressão no condensador para 10kPa

b) Aumento da temperatura do vapor na entrada da turbina para 600ºC,mantendo a pressão na saída de 10kPa

c) Mantendo as condições anteriores, aumentar a pressão na entrada da turbinapara 15 MPa.

Respostas:

Exemplo 1: = 26%, X=0,89

P4 = 33,4%, X=0,81

T3 = 37,3%, X=0,91

P3 = 43%, X=0,8

Ciclo de Rankine com reaquecimento expansão em múltiplos


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Ciclo de Rankine com reaquecimento – expansão em múltiplosestágios:

Objetivo: diminuir o conteúdo de umidade na saída da turbina e manter a eficiênciaelevada

Caldeira alta P baixa P

Turbinas

reaquecedor

condensadorBomba

Reaquecimento

Turbina de baixa P

Turbina de alta P

)hh( )hh( QQQ 4523ntoreaquecime primárioe

(kJ/kg)

)hh( )hh( W W W 6 543turbinaII turbinaI s ,turb

(kJ/kg)

Múltiplosestágios

Tmed, reaq

Não é prático, pequena vantagem na eficiência não justifica custo e complexidade do sistema


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Ciclo de Rankine regenerativo:

A primeira parte do aquecimento no ciclo simples acontece em umatemperatura média baixa. O ciclo com regeneração é usado para aumentar

essa temperatura.

Adiação de calor abaixa temperatura

Vapor que sai dacaldeira

Líquido que entrana caldeira

Regeneração:

Transferência de calor do vapor da turbina para a águana entrada da caldeira através

de um trocador de calor(regenerador ou aquecedor deágua de alimentação-AAA)

Melhora a eficiência do ciclo

Faz a desaeração da água dealimentação, evitando corrosão nacaldeira

Auxilia a reduzir a vazão de vapornos últimos estágios da turbina


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1. Com aquecedor de água de alimentação em tanque aberto (contatodireto): Serve também como desaerador da água de alimentação (remoção de arque se infiltra no condensador).

Caldeira Turbina

AAA

Condensador

Bomba I

Bomba II

45e hhQ

)hh )( y1( Q 17 turb , s

- Para 1 kg de vapor que sai da caldeira (5), y kg

se expandem na turbina e são extraídos (6)

- (1-y) kg restantes (7) expandem completamente

até a pressão do condensador

)hh )( y1( )hh( W 17 6 5turb , s

e ,bombaII e ,bombaI e ,bomba W W ) y1( W

) p p( W 12e ,bombaI

) p p( W 34e ,bombaII


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2. Com aquecedor de água de alimentação em tanque fechado (contatoindireto):

Calor é transferido do vapor para a água de alimentação sem mistura

Caldeira Turbina

AAA

Condensador

Bomba I

Câmara de

mistura

Bomba II


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Plantas atuais – vários aquecedores fechados eabertos combinados:

Caldeira

Turbina

AAA

Condensador

Bomba

Purga

Bomba

AAAAAAAAA -A - F- F - F

Purga Purga

Desaerador


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Ciclo de Rankine regenerativo com reaquecimento:

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