Sistema de Potncia a Vapor e refrigerao
8.1 Modelando Sistemas de Potncia a VaporA modelagem de sistemas
termodinmicos representa a etapa inicial do projeto de engenharia.
Como os processos que ocorrem nos SPV so bastante complexos, a
modelagem destes requer o uso de simplificaes (idealizaes). Ainda
assim, as aplicaes de tais modelos simplificados contribuem para o
estudo do comportamento real do sistema.
8.2 Analisando o Sistema de Potencia a Vapor Ciclo de RankineO
ciclo Rankine mostra a descrio fechada do processo da operao de
vapor das mquinas trmicas mostra geralmente descobrindo nas usinas
de generao eltrica a combusto de combstiveis fossl como o carvo, gs
natural, e gasolina.O Ciclo Rankine qualquer referncia com a prtica
do Ciclo de Carnot, pois onde se observa a eficincia de uma
turbina, o diagrama TS inicia assemelhar com o ciclo de Carnot. A
diferena principal est na adio (de uma caldeira) e a da ausncia de
um condensador no processos isobricos em um ciclo Rankine e os
processos isotrmicos na teoria do Ciclo Carnot. Uma bomba aplicada
para pressurizar o fluido em trabalho para o condensador que
instanteamente condensa um gs em lquido. Toda a energia bombeada no
fluido do trabalho atravs do ciclo completo perdido, como mostrado
na energia da vaporizao no trabalho na caldeira. Esta energia
perdida no ciclo porque a condensao aquele poder no lugar na
turbina limitada a 10% na ordem da minimizao da eroso; a energia da
vaporizao rejeitada para o ciclo atravs do condensador. Porm
bombeando o trabalho do fluido atravs do ciclo como o requerimento
de um lquido de uma pequena frao da energia necessria para ele
transportar se como for comparado para a compresso do fluido do
trabalho de um gs no compressor (como no ciclo de Carnot).Existem
quatro processos[2] num ciclo Rankine, cada um alterando as
propriedades do fluido de trabalho. Estas propriedades so
identificadas pelos nmeros no diagrama acima.8.2.1 Avaliando o
Trabalho e a Tranferencia de Calor PrincipaisTurbina:o vapor
proveniente da caldeira tendo valores de temperatura e presso
elevados se expande atravez da turbina para produzir trabalho e
entao descarregador no condensado com pressao relativamente
baixa.
Condensador: ocorrea transfernciade calor do vapor para a gua de
resfriamento que flui atravs de um circuito separado.O vapor se
condensa e a temperatura da gua de resfriamento aumenta.
Bomba: O lquido condensado que deixa o condensador em bombeado
do condensador para a caldeira a uma presso maior. Wb/m a potncia
de entrada por unidade de massa que passa pela bomba em J/kg.
Caldeira: O fluido de trabalho completa o ciclo quando o lquido
que deixa a bomba aquecido at a saturao e evapora na caldeira.
8.2.2 Ciclo Rankine ideal
Processo 4-1: Primeiro, o fluido de trabalho bombeado
(idealmente numa forma isoentropica) de uma presso baixa para uma
presso alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento requer algum
tipo de energia para se realizar. Processo 1-2: O fluido
pressurizado entra numa caldeira, onde aquecido a presso constante
at se tornar vapor superaquecido. Fontes comuns de calor incluem
carvo, gs natural e energia nuclear. Processo 2-3: O vapor
superaquecido expande atravs de uma turbina para gerar trabalho.
Idealmente, esta expanso isoentrpica. Com esta expanso, tanto a
presso quanto a temperatura se reduzem. Processo 3-4: O vapor ento
entra num condensador, onde ele resfriado at a condio de lquido
saturado. Este lquido ento retorna bomba e o ciclo se repete.8.2.3
Efeitos da Presso na Caldeira e no Condensador do Ciclo Rankine A
eficincia trmica de um ciclo de potncia tende a aumentar quando a
temperatura mdia, pela qual a energia adicionada por transferncia
de calor, aumenta e/ou a temperatura mdia, pela qual a energia
rejeitada, diminui.
Na caldeira: A diminuio da presso do condensador aumentara
eficincia trmica
No condensador: O aumento da presso da caldeira tende a aumentar
a eficincia trmica.
8.2.4 Irreversibilidade e perdas PrincipaisTurbina: O calor
transferido da turbina para a vizinhana representa uma perda, mas
como ele tem frequentemente importncia secundaria, essa perda
ignorada nas discusses subsequentes. O trabalho desenvolvido por
unidade de massa nesse processo menor que o da expanso
isentrpica.
Bomba: O trabalho necessrio para vencer os efeitos de atrito
tambm reduz a potncia liquida disponvel na sada da instalao. Na
ausncia de transferncia de calor para a vizinhana, haveria um
aumento na entropia da bomba.
8.3 Melhorando o Desempenho Superaquecimento e
ReaquecimentoSuperaquecimento: Uma energia adicional pode ser
acrescentada ao vapor dagua por transferncia de calor, levando-o
condio de vapor superaquecido na entrada da turbina. Isso efetuado
em um trocador de calor separado denominado
superaquecedor.Resfriamento: com o aquecimento, uma instalao de
potncia pode tirar vantagem do aumento da eficincia que resulta de
presses maiores na caldeira e ainda evitar um ttulo baixo de vapor
na exausto da turbina.
8.4 Melhorando o Desempenho - Ciclo de Potncia a Vapor e
Regenerativo8.4.1 Aquecedores de gua de Alimentao AbertosUm
aquecedor de agua de alimentao aberto, um tipo de trocador de calor
no qual correntes em diferentes temperaturas se misturam para
formar uma corrente a uma temperatura intermediaria.
8.4.2 Aquecedores de gua de Alimentao AbertosOs aquecedores
fechados so recuperadores do tipo casca e tubo nos quais a
temperatura da gua de alimentao aumenta medida que o vapor extrado
condensa no exterior dos tubos que transportam a gua de
alimentao.
8.5 Sistema de refrigerao a vaporComo o ciclo de refrigerao a
vapor de Carnot constitudo de processos internamente reversveis, as
reas podem ser interpretadas como trocas de calor. O calor
adicionado ao refrigerante atravs da regio fria por unidade de
massa de refrigerante circulante.
Mesmo quando as diferenas de temperatura entre as regies quente
e frio so levadas em considerao, existem outras caractersticas que
tornam o ciclo de refrigerao a vapor da figura impraticvel como
prottipo.Comparao das temperaturas do condensador e do
evaporador8.6 Analisando Sistemas de Refrigerao por Compresso de
VaporSistemas de refrigerao por compresso de vapor so os sistemas
de refrigerao mais comuns um uso atualmente.8.6.1 Avaliando o
Trabalho e as Transferncia de Calor PrincipaisO sistema de
compresso a vapor ilustrado na figura abaixo so mostrado o trabalho
e as transferncias de calor principais.A medida que o refrigerante
escoa atravs do evaporador, a transferncia de calor do espao
refrigerado resulta na vaporizao do refrigerante para um volume de
controle que engloba o lado do refrigerante no evaporador, os
balanos das taxas de massa e de energia reduzem-se taxa de
transferncia de calor por unidade de massa de refrigerantes.
Componentes de um sistema de refrigerao por compresso a
vapor
8.6.2 Desempenho de Sistemas de Compresso de VaporSe as
irreversibilidade no evaporador e no condensador forem ignoradas,
no h queda de presso por atrito e o resfriamento escoa com pressao
constante atraves dos dois trocadores de calor. Se a compressao
ocorrer sem irreversibilidade e a transferencia de calor perdida
para a vizinhana tambem for ignorada o processo de compresso de
vapor identificada.Processo 1-2s: Compresso isentropica do
referigerante do estado 1 at a presso do condensador no estado
2sProcesso 2s-3: Tranferencia de calor do refrigerante a medida que
ele escoa com presso constante atravez do condensador.Processo 3-4:
Processo de estrangulamento do estado 3 ate o de uma mistura
bifasica liquido-vapor em 4.Processo 4-1: Transferencia de calor
para o refrigerante medida que ele escoa com uma presso constante
atravez do evaporador parcompleta o ciclo. 8.7 Sistema de Bomba de
calor por Compresso de VaporO Metodo de analise de bombas de calor
por compresso de vapor o mesmo dos ciclos refrigerao anteriores .
Tambm se aplica a discusso sobre desvio de sistema reais em relao
as condies ideais tanto as bombas de calor por compresso vapor
quanto aos ciclos de refrigerao por compressor de vapor.
8.8 Fluidos de Trabalho para Sistemas de Potncia e RefrigeraoA
agua utilizada como fluido de trabalho na grande maioria dos
sistemas de potncia a vapor por se abundante, ter baixo custo, no
ser toxica, ser quimicamente estvel e ser relativamente no
corrosiva.