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Guias e Dicas
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O Ciclo Rankine, Trabalhos de Mecatrônica

Trabalho sobre o Ciclo de Rankine

Tipologia: Trabalhos

Antes de 2010

Compartilhado em 16/11/2007

alberto-lachi-8
alberto-lachi-8 🇧🇷

5 documentos

Pré-visualização parcial do texto

Baixe O Ciclo Rankine e outras Trabalhos em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! INTRODUÇÃO O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico, onde sua eficiência máxima é obtida através da eficiência de um Ciclo de Carnot, tem como objetivo demonstrar os diferentes tipos de Ciclo Rankine existentes, pois cada ciclo tem a sua finalidade e importância na termodinâmica. 1 O CICLO RANKINE O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâminco. Como outros ciclos termodinâmicos, sua eficiência máxima é obtida através da eficiência de um Ciclo de Carnot. Seu nome foi dado em razão do matemático escocês William John Macquorn Rankine, Considere um ciclo baseado em quatro processo que ocorre em regime permanente (fig. 1.1). Admita que o estado 1 seja líquido saturado e o 3 seja vapor saturado ou superaquecido. Este ciclo recebe a denominação de ciclo de Rankine e é o ideal para uma unidade motora simples a vapor. A fig. 1.1 apresenta o dia grama T-s referente ao ciclo e os processo que compõe o ciclo são: 1-2: Processo de bombeamento adiabático reversível , na bomba. 2-3: Transferência de calor a pressão constante, na caldeira. 3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (ou em outra máquina motora tal com a máquina a vapor). 4-1: Transferência de calor a pressão constante, no condensador . O ciclo de rankine, como já foi exposto, também pode apresentar superaquecimento de vapor, como o ciclo 1-2-3’4’-1. Se as variações de energia cinética e potencial forem desprezadas, as transferências de calor e o trabalho líquido podem ser representadas pelas diversas áreas do diagrama T-s. O calor transferido ao fluido de trabalho é representado pela área a-2-2’-3-3b-a e o calor transferido do fluido de trabalho pela área a-1-4-b-a. Utilizando a primeira lei da termodinâmica, podemos concluir que a área que representa o trabalho é igual a diferença entre essas duas áreas, isto é, a área 1-2-2’-3-4-1. O rendimento térmico é definido pela relação: térmico= wlíq = área 1-2-2’-3-4-1 qh área a-2-2’-3-b-a Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo de Rankine. 2 V (p1-p2)= 0,00101(200-10)= 2,0 KJ/ kg =׀wb ׀ h2=h1 + ׀wb193,8=191,8+2,0 =׀ Volume de controle: Caldeira. Estado de entrada: p2, h2 concedidas; estado determinado. Estado de saída: p3 conhecida, vapor saturado; estado determinado. Análise: Primeira lei: qh= h3-h2 Solução: qh= h3-h2= 2799,5-193,8= 2605,7 kJ/kg Volume de controle: Turbina. Estado de entrada: Estado 3 conhecido (acima). Estado de saída: p4 conhecida. Análise: Primeira lei: wt = h3-h4 Segunda lei: S3=S4 Solução: Com a entropia no estado 4 podemos determinar o titulo deste estado. Assim, S3=S4= 6,3409=0,6493+ X4 7,5009 → X4= 0,7588 h4= 191,8 + 0,7588(2392,8)=2007,5 wt= 2799,5-2007,5=792,0 kJ/kg Volume de controle: considerado. Estado de entrada: Estado 4, conhecido(acima). Estado de saída: Estado 1, conhecido. Análise: Primeira lei: ׀ql׀= h4-h1 Solução: h4-h1 = 2007,5-191,8=1815,7 kj/kg =׀ql׀ Podemos agora calcular o rendimento térmico. térmico= wlíq = qh-׀ ql׀ = wt- ׀wb792,0 – 2,0 = 30,3% = ׀ 5 qh qh qh 2605,7 podemos também escrever uma expressão para o rendimento térmico em função das propriedades noz vários pontos do ciclo. Assim, térmico= (h3-h2) – (h4-h1) = (h3-h4) – ( h2-h1) = h3-h2 h3-h2 = 2605,7 – 1815,7 = 792,0-2,0 = 30,3% 2605,7 2605,7 Figura 1.2- Efeito da pressão de saída sobre o rendimento do ciclo de Rankine. Figura 1.3- Efeito do superaquecimento sobre o rendimento do ciclo de Rankine. EFEITOS DA VARIAÇAO DE PRESSÃO E TEMPERATURA NO CICLO DE RANKINE Consideramos, primeiramente, o efeito da variação de pressão e temperatura na seção de saída da turbina no ciclo de Rankine. Esse efeito é mostrado no diagrama T-s da fig. 1.2. façamos com que a pressão de saída caia de p4 a p4’, com a correspondente diminuição pela área 1-4-4’-1’-2’-2-1. O aumento do calor transferido ao fluido é representado pela área a’-2’-2-a-a’. Como essas duas área são aproximadamente iguais, o 6 resultado líquido é um aumento no rendimento do ciclo. Isso também é evidente pelo fato de que a temperatura média, na qual o calor é rejeitado, diminui. Note, entretanto, que a redução da pressão de saída provoca uma redução no título do fluido que deixa a turbina. Isto é um fator significativo, pois ocorrerá um a diminuição na eficiência da turbina e a erosão das palhetas da turbina tornar-se-á um problema muito sério quando a umidade do fluido, nos estágios de baixa pressão da turbina, excede cerca de 10 por cento. Em seguida, consideremos o efeito do superaquecimento do vapor na caldeira (fig. 1.3). É evidente que o trabalho aumenta o correspondente a área 3-3’-4’-4-3 e o calor transferido na caldeira aumenta o correspondente a área 3-3’-b’-b-3. Como a relação entre estas duas áreas é maior do que a relação entre o trabalho líquido e o calor fornecido no restante do ciclo, é evidente que, para as pressões dadas, o superaquecimento do vapor aumenta o rendimento do ciclo de Rankine. Isto pode ser explicado também pela ocorrência do aumento da temperatura média na qual o calor é transferido ao vapor. Note também que, quando o vapor é superaquecido , aumenta o título do vapor na saída da turbina. Finalmente, a influência da pressão máxima do vapor deve ser considerada e isto está mostrado na fig. 1.4. Nesta análise, a temperatura máxima do vapor, bem como a pressão de saída são mantidas constantes. O calor rejeitado diminui o correspondente a área b’-4’-4-b-b’. O trabalho líquido aumenta o correspondente a área hachurada simples e diminui o correspondente a área duplo hachurada. Portanto o trabalho líquido tende permanecer o mesmo, mas o calor rejeitado diminui e portanto, o rendimento do ciclo de Rankine aumenta com o aumento da pressão máxima. Note que, neste caso, a temperatura média na qual o calor é fornecido também aumenta com um aumento da pressão. O título do vapor que deixa a turbina diminuir quando a pressão máxima aumenta. Para fazer um resumo desta seção, podemos dizer que o rendimento de um ciclo da Rankine pode ser aumentado pela redução da pressão de saída, pelo aumento da pressão no fornecimento de calor e pelo superaquecimento do vapor. O título do vapor que deixa o turbina aumenta pelo superaquecimento do vapor e diminui pelo abaixamento da pressão e pelo aumento da pressão no fornecimento de calor. 7 Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos. Em outras palavras, estes processos não são reversíveis, e a entropia aumenta durante os processos (indicados na figura como ΔS). Isto faz com que a energia requerida pela bomba seja maior, e que o trabalho produzido pela turbina seja menor do que o produzido num estado de idealidade. Ciclo Rankine com reaquecimento O ciclo Rankine com reaquecimento opera utilizando duas turbinas em série. A primeira turbina recebe o vapor da caldeira à alta pressão, liberando-o de tal maneira a evitar sua condensação. Este vapor é então reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira, e é utilizado para acionar uma segunda turbina de baixa pressão. Entre outras vantagens, isto impede a condensação do vapor no interior das turbinas durante sua expansão, o que poderia danificar seriamente as pás da turbina. Ciclo Rankine regenerativo O ciclo Rankine regenarativo é nomeado desta forma devido ao fato do fluído ser reaquecido após sair do condensador, aproveitando parte do calor contido no fluído liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do fluído em circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo. 10 CONCLUSÃO Concluímos que o Ciclo de Rankine descreve a operação de turbinas à vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Em tais estações, o trabalho é gerado ao se vaporizar e condensar-se alternadamente um fluido de trabalho. 11 REFERÊNVICIAS BIBLIOGRÁFICAS BORGNAKKE, Claus; SONNTAG Richard; WYLEN Gordon. Fundamentos da Termodinâmica Clássica. Tradução: Engº Euryaçe de Jesus Zerbini; Engº Ricardo Santilli Ekman Simões. São Paulo: ed. Edgard Blücher Ltda, 1995. 246 – 251p. http://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankine#Equa.C3.A7.C3.B5es 12
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