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Universidade Federal do ABC
ProfaProfa. Dra. Ana ProfaProfa. Dra. Ana. Dra. Ana. Dra. Ana MariaMariaMariaMaria PereiraPereiraPereiraPereira NetoNetoNetoNeto
[email protected]@[email protected]@ufabc.edu.br Catequese, 5º AndarCatequese, 5º Andar Catequese, 5º AndarCatequese, 5º Andar
BC1309BC
Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada
BC1309BC
Termodinâmica AplicadaTermodinâmica Aplicada
Ciclos de Potência a VaporCiclos de Potência a VaporCiclos de Potência a VaporCiclos de Potência a Vapor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclos de Potência a VaporCiclos de Potência a VaporCiclos de Potência a VaporCiclos de Potência a Vapor
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclo RankineCiclo Rankine -- Definição;Definição;
Diagrama TDiagrama T--s para o Ciclo Rankine;s para o Ciclo Rankine;
Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Rankine;Balanços de Massa e Energia para um Ciclo Rankine;
Parâmetros Principais de Operação;Parâmetros Principais de Operação;
Ciclo Rankine com Reaquecimento;Ciclo Rankine com Reaquecimento;
Ciclo Rankine Regenerativo.Ciclo Rankine Regenerativo.
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
A água entra na bomba no estado 3
como líquido saturado.
É comprimida de maneira isoentrópica
até a pressão de operação da caldeira.
A água entra na caldeira como líquido comprimido (estado 4) e sai como
vapor superaquecido (estado 1).
O vapor d’água superaquecido entra na turbina, onde ocorre a expansão
isoentrópica e produção de trabalho.
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Calor é rejeitado para um meio de resfriamento (lago, rio, atmosfera).
Água deixa o condensador como líquido saturado (estado 3) e entra na
bomba completando o ciclo.
Nesse processo, a pressão e a
temperatura caem até os valores do
estado 2, no qual o vapor (mistura) entra
no condensador.
O vapor é condensado a pressão
constante.
Diagrama TDiagrama T-Diagrama TDiagrama T--s-sss
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
TT
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal –Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal –– Diagrama T– Diagrama TDiagrama T-Diagrama T--s-sss
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
ss
11
33 22
44
qqee
qqss
wwbombabomba, e, e
wwturbinaturbina, s, s
TT
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal –Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal –– Diagrama T– Diagrama TDiagrama T-Diagrama T--s-sss
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
ss
11
(^3322)
44
QQLL
Balanço de Massa e de EnergiaBalanço de Massa e de EnergiaBalanço de Massa e de EnergiaBalanço de Massa e de Energia
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
dt
dm m m vc
n
i 1
s
n
i 1
∑ e −^ ∑ =
= =
& &
dt
dE gz 2
V
gz m h 2
V
Q W m h vc
n
i 1
s
2 s s s
n
i 1
e
2 e vc vc e e =
= =
HipótesesHipóteses adotadasadotadas:: RegimeRegime permanentepermanente;; VariaçãoVariação nulanula dede energiaenergia cinéticacinética ee potencialpotencial..
Equação de conservação da massa:
Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica):
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
m& (^) e − m&s= 0
Q& (^) vc − W&vc+m&ehe−m&shs= 0
Equação de conservação da massa:
Equação de conservação da energia (1ª lei da Termodinâmica):
(q &e − q&s)+(w&e−w&s)=hs−h e
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
CondensadorCondensador
33
22
QQLL
CondensadorCondensador
Q (^) L + m& 2 h 2 −m& 3 h 3 = 0
m& 2 − m& 3 = 0
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
BombaBomba
(^44) WW 33 BB
BombaBomba
− W& (^) b +m& 3 h 3 −m& 4 h 4 = 0
m& 3 − m& 4 = 0
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Gerador de VaporGerador de Vapor
Turbina a vaporTurbina a vapor
BombaBomba
CondensadorCondensador
33
11
22
44
WWTT
WWBB
(combustível)(combustível)
QQLL
QQHH == mmccPCIPCI
Ciclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine IdealCiclo Rankine Ideal
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Para cada equipamento, temos:
GeradorGerador dede VaporVapor (Caldeira)(Caldeira)::
Q& (^) H + m& 4 h 4 −m& 1 h 1 = 0
m& 4 − m& 1 = 0
TurbinaTurbina aa VaporVapor
− W&T +m& 1 h 1 −m& 2 h 2 = 0
m& 1 − m& 2 = 0
CondensadorCondensador
Q (^) L + m& 2 h 2 −m& 3 h 3 = 0
m& 2 − m& 3 = 0
BombaBomba
− W&b +m& 3 h 3 −m& 4 h 4 = 0
m& 3 − m& 4 = 0
Parâmetros de OperaçãoParâmetros de OperaçãoParâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Usinas de potência a vapor são as responsáveis pela produção da
maior parte da energia elétrica do mundo.
Portanto, ganhos de eficiência térmica podem significar uma
grande economia na necessidade de combustível, e
conseqüentemente, ganhos ambientais.
Há três maneiras de aumentar a eficiência térmica:
Superaquecendo o vapor (aumento de THmed);
Aumentando a pressão da caldeira (aumento de THmed);
Diminuindo a pressão do condensador (diminuição de TLmed).
Parâmetros de OperaçãoParâmetros de OperaçãoParâmetros de OperaçãoParâmetros de Operação
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Diminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no CondensadorDiminuição da Pressão no Condensador
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
TT
ss
PPcc
Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
eficiência de 1º Lei (%)
pressão no condensador (bar)
Diminuição da pressão no condensador:
Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
TT
ss
PPgg
PPcc
Influência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do CicloInfluência na Eficiência do Ciclo
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 temperatura vapor (°C)
Eficiência de 1º Lei (%)
Aumento da temperatura no gerador de vapor (caldeira):
Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Aumento da temperatura no gerador de vapor (caldeira):
400 425 450 475 500 525 550 575 600 625
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
trabalho específico (kJ/kg)
temperatura vapor (°C)
Aumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na CaldeiraAumento da Temperatura na Caldeira
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
É possível aumentar a temperatura do vapor e, conseqüentemente, aumentar a eficiência térmica.
Além disso, esse aumento diminui o conteúdo de umidade do vapor na saída da turbina.
Porém, a temperatura em que o vapor poderá ser aquecido é limitada por considerações metalúrgicas (Tmáx = 620°C).
Possível solução é o desenvolvimento de novos materiais.
Influência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do CicloInfluência na Potência Líquida do Ciclo
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
975
Trabalho especifico (kW/kg)
pressão vapor (bar)
Aumento da pressão no gerador de vapor (caldeira):
Aumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da CaldeiraAumento da Pressão da Caldeira
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
É possível aumentar a pressão da caldeira e, conseqüentemente, aumentar a eficiência térmica.
Porém, o conteúdo de umidade aumenta.
Esse efeito colateral pode ser resolvido pelo reaquecimento do vapor.
Alternativas: Superaquecer o vapor antes dele entrar na turbina (há limitações metalúrgicas);
Expandir o vapor da turbina em dois estágios e reaquecê-lo entre eles.
Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
Ciclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com ReaquecimentoCiclo Rankine com Reaquecimento
BC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira NetoBC1309_Ana Maria Pereira Neto
33
11
22
44
WWT2T
WWBB
QQLL
QQHH=m=mccPCIPCI
WWT1T
