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Resumo capítulo 10 çengel, Notas de estudo de Máquinas

Resumo Capítulo 10 çengel seçao 1, 2 e 5

Tipologia: Notas de estudo

2021

Compartilhado em 17/01/2021

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Resumo máquinas térmicas
Victor de Mello Veloso
DRE: 115067953
10-1 Ciclo de vapor de Carnot
Nesta sessão é discutido sobre a aplicabilidade do ciclo de Carnot. Sabemos que, em tese,
o ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente que opera entre duas temperaturas. Entretanto
vimos algumas limitações com relação a sua aplicabilidade.
Considerando um ciclo de Carnot representado na imagem abaixo temos:
O fluido submetido a este ciclo é:
1. Aquecido de forma revervel e isotermicamente entre os pontos 1 e 2, em
uma caldeira
2. Expandido de forma isentrópica em uma turbina entre os pontos 2 e 3
3. Condensado de forma reversível e isotermicamente entre os pontos 3 e 4,
em um condensador
4. Comprimido de forma isentrópica entre os pontos 4 e 1, em um
compressor
Sobre os pontos do ciclo, foram feitas algumas observações acerca da praticabilidade do
ciclo.
1 No que diz respeito aos processos onde há transferência de calor isotérmica (sem a
variação da temperatura), aquecimento em caldeira (ponto 1 ao ponto 2) e o resfriamento
em um condensador (ponto 3 ao ponto 4), temos que em prática esses processos podem
ser replicados de maneira satisfatória em condensadores e caldeiras reais. Contudo, ao
limitarmos a transferência de calor a um sistema bifásico limitamos a temperatura
máxima que pode ser utilizada no ciclo (abaixo do valor no ponto crítico) o que limita
também a eficiência térmica.
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Resumo máquinas térmicas Victor de Mello Veloso DRE: 115067953 10 - 1 – Ciclo de vapor de Carnot Nesta sessão é discutido sobre a aplicabilidade do ciclo de Carnot. Sabemos que, em tese, o ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente que opera entre duas temperaturas. Entretanto vimos algumas limitações com relação a sua aplicabilidade. Considerando um ciclo de Carnot representado na imagem abaixo temos: O fluido submetido a este ciclo é:

  1. Aquecido de forma reversível e isotermicamente entre os pontos 1 e 2, em uma caldeira
  2. Expandido de forma isentrópica em uma turbina entre os pontos 2 e 3
  3. Condensado de forma reversível e isotermicamente entre os pontos 3 e 4, em um condensador
  4. Comprimido de forma isentrópica entre os pontos 4 e 1 , em um compressor Sobre os pontos do ciclo, foram feitas algumas observações acerca da praticabilidade do ciclo. 1 – No que diz respeito aos processos onde há transferência de calor isotérmica (sem a variação da temperatura), aquecimento em caldeira (ponto 1 ao ponto 2) e o resfriamento em um condensador (ponto 3 ao ponto 4), temos que em prática esses processos podem ser replicados de maneira satisfatória em condensadores e caldeiras reais. Contudo, ao limitarmos a transferência de calor a um sistema bifásico limitamos a temperatura máxima que pode ser utilizada no ciclo (abaixo do valor no ponto crítico) o que limita também a eficiência térmica.

2 – Com a utilização de turbinas bem projetas, conseguimos de maneira satisfatória reproduzir o processo de expansão isentrópica. Contudo, ao realizar esse procedimento, a titulação do vapor diminui fazendo a turbina operar com vapor com alta humidade. O que pode ocasionar erosão nas pás das turbinas em decorrência do choque entre elas e as gotas de líquido. Para solucionar tal problema, deve ser utilizado um fluido de trabalho com uma linha de vapor saturado bastante inclinada. 3 – No que diz respeito ao processo de compressão isentrópica, temos um processo que lida com uma mistura em duas fases (líquido e vapor) transformando-as em uma única fase (líquido saturado). Na prática, projetar um compressor que opera com fluidos em duas fases não é uma tarefa simples e, além disso não é fácil controlar o processo de condensação de modo preciso a ponto de terminar com uma titulação desejada no ponto

Todos esses fatores combinados nos levam a acreditar que na prática o ciclo de Carnot não pode ser facilmente reproduzido. 10 - 2 – Ciclo de Rankine: O ciclo ideal para os ciclos de potência a vapor Tendo em vista as limitações práticas do ciclo de Carnot, iremos abordar ciclo ideal em usinas de potência: Ciclo de Rankine. Este ciclo possui quatro etapas, não envolvendo irreversibilidade interna: 1 – Compressão isentrópica em uma bomba 2 – Fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira 3 – Expansão isentrópica em uma turbina 4 – Rejeição de calor a pressão constante em um condensador Na figura acima podemos ver esquematicamente como seria a montagem de um ciclo de potência a vapor utilizando o ciclo de Rankine. Na figura abaixo, a imagem representa as curvas de transformação entre os diferentes pontos do sistema:

A eficiência de um ciclo Rankine é dado pela fórmula: Onde o trabalho liquido é igual ao calor que entra menos o calor que sai, que é equivalente a diferença entre o trabalho que sai da turbina menos o trabalho que entra na bomba. 10 - 5 – O Ciclo de Rankine ideal com reaquecimento O objetivo a ser alcançado é o aumento da eficiência térmica do ciclo de Rankine. Algumas possibilidades já foram discutidas, como aumento da pressão na caldeira, superaquecimento do vapor a temperaturas muito elevadas e a redução da pressão no condensador. Contudo, esses processos possuem alguns efeitos danosos ao sistema, como aumento da humidade do vapor, fato que pode provocar erosão nas pás das turbinas. Outra solução possível seria um reaquecimento, já que o superaquecimento não é seguro e nem recomendado devido a restrições das resistências dos materiais a altas temperaturas. Logo, se o após a saída da turbina o vapor for reaquecido, passamos novamente pela caldeira, o problema do aumento da umidade seria resolvido, pois o ponto em que o condensador é representado no gráfico será deslocado para a direita no sentido de aumento do título, ou seja, menos umidade. Temos que a única finalidade do ciclo com reaquecimento é reduzir a umidade ao final do processo de expansão. Não haveria necessidade de reaquecimento casos os materiais suportassem altas temperaturas. O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento difere do ciclo de Rankine simples, em decorrência de dois estágios. Após o vapor ser expandido, de maneira isentrópica, até uma determinada faixa de pressão, passando pela turbina de alta pressão, ele é reaquecido na caldeira, a pressão constante, até a mesma temperatura da primeira fase de aquecimento. Posteriormente, o vapor se expande isentropicamente até a pressão do condensador, passando pela turbina de baixa pressão. Nesse ponto, a umidade será mais baixa e a eficiência do ciclo será maior. Aplicar uma terceira fase de reaquecimento aumentaria a eficiência do ciclo em metade daquele obtido no estágio anterior. Assim, não é benéfico dado os custos e complexidades do processo.