Ciclos de Potência

Ciclos de Potência
A partir destes resultados é possivel obter o trabalho total para cada 1 kg de água alimentada na caldeira:
Esses resultados e aqueles obtidos de forma análoga para as demais seções são listados a seguir:
O trabalho útil é dado por:
O calor adicionado na caldeira:
A eficiência térmica do ciclo:
Vazão de vapor da caldeira:
Ciclo Rankine - Exercício
Considere um ciclo de potência operando como um ciclo de Rankine na pressão de 8.600 kPa e temperatura de 500ºC na entrada da turbina e uma pressão de 10 kPa na saída da turbina, e no condensador o vapor torna-se líquido saturado.
1) Aplicação de um BM, BE e BS;
2) Definição do volume de controle;
3) Busca de propriedades termodinâmicas;
4) Eficiência do ciclo:
Equações de Balanço:
2) Definição do volume de controle:
VC-1:
Ciclo Rankine Regenerativo - Exercício
A eficiência de um ciclo de potência a vapor aumenta com o aumento da pressão, pois há um aumento da temperatura de vaporização, e com o aumento da temperatura de superaquecimento.
O ciclo regenerativo é uma modificação do ciclo Rankine para aumentar a eficiência do ciclo incorporando aquecedores para a água de alimentação a partir do vapor extraído da turbina.
Exercício:
Determine a eficiência térmica da planta de potência representado na figura, considerando as eficiências da turbina e da bomba de 0,75. Qual a vazão de vapor necessária para desenvolver uma potência de 80.000 kW?
Solução:
1) Aplicação de um BM, BE e BS;
2) Definição do volume de controle;
3) Busca das propriedades termodinâmicas;
2) Definição do volume de controle:

VC-1:
Hipose:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Adiabático;
4) Isentrópico (reversível);
Portanto, é necessário conhecer a massa de vapor extraída!
Hipotese:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Adiabático;
4) Não há variação de volume e trabalho de eixo;
Fazendo as devidas interpolações, obtém-se:

H(isentrópico)=3.071,1 kJ/kg
Dados termodinâmicos:
Considerando que a eficiência, ou seja existem irreversibilidades!
Como o trabalho real é menor que o trabalho isentrópico, portanto a entalpia da corrente de saída deve ser corrigida!
VC-2:

Para calcular o trabalho da próxima seção é necessário conhecer a massa de vapor que entrará!
Essa informação pode ser obtida aplicanndo novamente as equações de balanço! Onde?
Observando o fluxograma do problema proposto observamos que o trocador de calor logo abaixo da primeira seção da turbina possibilita obter as informações necessárias para o cálculo da massa de vapor exatraída!
Identificando os valores das entalpias específicas das correntes do VC-2:
VC-4:
Cálculo da massa de vapor extraída pelo balanço de energia do VC-2:
VC-3:

Ainda não foi calculada a massa de vapor que entrará na próxima seção (II) da turbina!
Essa informação obtemos a partir do balanço de massa referente ao VC-3:
Hipose:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Adiabático;
4) Isentrópico (reversível);
Portanto, é necessário conhecer a massa de vapor extraída!
Hipotese:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Adiabático;
4) Não há variação de volume e trabalho de eixo;
Fazendo as devidas interpolações, obtém-se:

H(isentrópico)=2.917,7 kJ/kg
Dados termodinâmicos:
Considerando que a eficiência, ou seja existem irreversibilidades!
Como o trabalho real é menor que o trabalho isentrópico, portanto a entalpia da corrente de saída deve ser corrigida!
VC-5:

Para calcular o trabalho da próxima seção é necessário conhecer a massa de vapor que entrará!
Essa informação pode ser obtida aplicanndo novamente as equações de balanço! Onde?
Observando o fluxograma do problema proposto observamos que o trocador de calor logo abaixo da segunda seção da turbina possibilita obter as informações necessárias para o cálculo da massa de vapor exatraída!
Identificando os valores das entalpias específicas das correntes do VC-5:
Cálculo da massa de vapor extraída pelo balanço de energia do VC-5:
VC-6:

Ainda não foi calculada a massa de vapor que entrará na próxima seção (II) da turbina!
Essa informação obtemos a partir do balanço de massa referente ao VC-6:
(a) Qual é a eficiência do ciclo de Rankine nessas condições?
Solução:
A Figura abaixo mostra uma planta
Hipose:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Adiabático;
4) Isentrópico (reversível);
1ª interpolação:

P = 5MPa: P = 10MPa:
S = 0,6493 kJ/kgK S = 0,6493 kJ/kgK
H = 218,26 kJ/kg H = 202,46 kJ/kg
Cálculo do Título:
Dados termodinâmicos:
Cálculo da Entalpia:
Cálculo do trabalho isentrópico:
VC-2 (Bomba):

Hipose:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Adiabático;
4) Isentrópico (reversível);
Hentrada [Liq. Sat.; 10 kPa] = 191,8 kJ/kg
Sentrada [Liq. Sat.; 10 kPa] = 0,649 kJ/kgK
2ª interpolação:

P = 8,6MPa:
S = 0,6493 kJ/kgK
H = 206,88 kJ/kg
Cálculo do trabalho isentrópico:
Hentrada [Liq. Comp.; 8,6 MPa] = 206,8 kJ/kg
Hsai [500ºC; 8,6 MPa] = 3.391,6 kJ/kg
b) Qual a eficiência de um ciclo real, operando nestas mesmas condições, se as eficiências da turbina e da bomba forem iguais a 0,75?
Solução:
Basta aplicar a eficiência ao cálculo da turbina e da bomba e recalcular o calor da caldeira:
Trabalho da turbina (real):
Finalmente, o cálculo da eficiência do ciclo real:
c) Considerando o ciclo real, qual a vazão de vapor necessária para desenvolver uma potência de 80.000 kW?
Solução:
VC-3 (Caldeira):

Hipose:

1) Regime permanente;
2) A variação de Ec e Ep são desprezíveis;
3) Somente troca de calor;
Finalmente o cálculo da eficiência:
Trabalho da bomba (real):
Antes de realiza o cálculo do calor trocado na caldeira deve-se corrigir o valor da entalpia da corrente de saída da bomba:

Hsaída,bomba = 191,8 + 20,13 = 211,93 kJ
Cálculo do calor trocada na caldeira: