Ciclos de Potncia a Vapor

Ciclo a Vapor de Carnot; Ciclo de Rankine (ideal); Anlise da Energia do Ciclo de Rankine Ideal; Desvio dos Ciclos Reais e os Idealizados; Como Aumentar a Eficincia do Ciclo de Rankine; Ciclo de Rankine Ideal com Reaquecimento; Ciclo de Rankine Regenerativo Ideal; Anlise de 2 Lei para Ciclos de Potncia a Vapor.

Ciclo de Carnot O ciclo de Carnot apesar de ser o ciclo terico de maior

rendimento, no o mais aconselhvel para ciclos de potncia a vapor usando gua como fluido de trabalho;

Limita a temperatura mxima do ciclo (Tcrtica = 374C ); O ttulo do vapor no processo de expanso isentrpica

compromete o rendimento da turbina (processo 2 3); O processo de compresso isentrpica de uma mistura

lquido-vapor para um estado de lquido saturado;Estes problemas poderiamser eliminados executando ociclo conforme a figura (b), porm est soluo no seriavivel, pois implicaria numacompresso extremamentealta.

Ciclo Rankine: ideal para ciclos a vapor Processo 1 2: Compresso isentrpica em uma bomba; Processo 2 3: Fornecimento de calor a presso constante; Processo 3 4: Expanso isentrpica em uma turbina; Processo 4 1: Rejeio de calor a presso constante;

Anlise de Energia do Ciclo Rankine Aplicando a 1 Lei em regime permanente, Ec e Ep=0; Desprezando o calor trocado da caldeira para as suas

vizinhanas; Turbina:

Condensador:

Bomba:

Caldeira:

Eficincia:

Desvios entre os ciclos reais e os ideais

(a) Desvios do ciclo real de potncia a vapor do ciclo Rankineideal;

(b) O efeito das irreversibilidades na bomba e na turbina.

Como aumentar a eficincia do Ciclo Rankine: Diminuindo a Presso no condensador.

A diminuio da presso de operao do condensador diminui automaticamente a temperatura do vapor e, portanto, a temperatura na qual o calor rejeitado.

Superaquecendo o vapor a Temperaturas Mais Altas:

A temperatura mdia com a qual o calor transferido ao vapor pode ser aumentada sem aumentar a presso na caldeira pelo superaquecimento do vapor a altas temperaturas.

Aumentando a Presso na Caldeira:

Aumentando a presso de operao da caldeira eleva automaticamente a temperatura de ebulio o que, eleva a temperatura mdia com a qual o calor transferido para o vapor e assim, eleva a eficincia trmica do ciclo.

Ciclo de Rankine Supercrtico:

As presses de operao nas caldeiras aumentaram gradualmente ao longo dos anos, de cerca de 2,7 MPa em 1922 para mais de 30 MPa nos dias de hoje, gerando vapor suficiente para produzir uma potncia de lquida de mais de 1000 MW. Muitas das usinas a vapor modernas operam a presses supercrticas (P > 22,6 MPa) e possuem eficincias trmicas de cerca de 40% (petrleo) e 34% (usinas nucleares).

Ciclo Rankine Ideal com Reaquecimento:

Equacionamento:

Ciclo Rankine Regenerativo:

Equacionamento:

Ciclo Rankine com Aquecedores Fechados:

Usina de Potncia com um Aquecedor Aberto e trs Fechados:

Caractersticas dos Fluidos de Trabalho: A gua usada na maioria dos sistemas de potncia a vapor

porque abundante, baixo custo, no txica, quimicamente estvel e relativamente no corrosiva;

Grande Potencial Entalpico; As tcnicas de superaquecimento, reaquecimento, e

regenerao so eficazes para aumento da eficincia global da instalao;

No entanto, a temperatura crtica baixa (314,14C), o que cerca de 225C abaixo das temperaturas admissveis na entrada de uma turbina;

Para atingir temperaturas elevadas, o gerador de vapor tem que operar a presses supercrticas, isso requer tubulaes caras, que possam suportar grandes presses;

A gua pode ser usada juntamente com alguma outra substncia como fluido de trabalho em um ciclo a vapor binrio para atingir um desempenho global melhor do que poderia ser realizado com gua apenas (Ex: mercrio).

Ciclo de Vapor Binrio: um ciclo de vapor que utiliza dois fluidos de trabalho, um

com boas caractersticas a altas temperaturas e outro com boas caractersticas na regio de temperaturas mais baixas.

Cogerao: a produo de mais de uma forma de energia til de energia

(como calor de processo, energia eltrica ou produo de frio) utilizando uma mesma fonte de energia.

Uma usina de cogerao ideal:

Fator de utilizao:

Formulao para equacionamento de 1 Lei

Ciclo Combinado Gs-Vapor:

Usina de potncia combinada gs-vapor.

Anlise de Segunda Lei - Exergia As equaes para o balano de exergia para volumes de

controle, podem ser usadas para determinar o trabalho reversvel, ou seja, fazendo a exergia destruda igual a zero:

Para uma turbina adiabtica:

Para um compressor adiabtico:

Anlise de 2 Lei para Ciclo de Potncia a Vapor: A destruio da exergia para um sistema em escoamento em

regime permanente pode ser expresso em forma de taxa como:

Para um dispositivo com corrente nica e por unidade de massa:

A destruio de exergia durante para um ciclo depende da magnitude das transferncias de calor com os reservatrio, para um ciclo e com apenas dois reservatrio resulta: