SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR (SPV)

Transcrição

1 SISTEMAS DE POTÊNCIA A VAPOR (SPV) Prof. Dr. Paulo H. D. Santos psantos@utfpr.edu.br

2 AULA 1 06/06/2013 Apresentação do curso; Modelagem dos Sistemas de Potência a Vapor; Sistemas de Potência a Vapor - Ciclo de Rankine;

3 Sumário Ementa Objetivos Conteúdo Programático Metodologia Avaliação Critério de Aprovação Data das Avaliações Referências Referências Básicas Referências Complementares Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 3/84

4 Sumário Aplicação da Termodinâmica Sistemas de Potência a vapor Modelagem de Sistema a Vapor Análise dos sistemas de potencia a vapor (Ciclo de Rankine) Subsistema A: Ciclo de Rankine Ciclo Ideal de Rankine Efeitos das Pressões da Caldeira e do Condensador no Ciclo de Rankine Comparação com o Ciclo de Carnot Resumo da Aula Guia de Estudo Técnica para Solução de Problemas Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 4/84

5 Ementa Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 5/84

6 Ciclo Rankine. Geradores de vapor. Combustíveis e combustão. Turbinas a vapor. Trocadores de Calor. Utilização e distribuição de vapor. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 6/84

7 Objetivos Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 7/84

8 Objetivos Conhecer e dimensionar componentes de um sistema de potência a vapor, tubulações e acessórios. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 8/84

9 Conteúdo Programático Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 9/84

10 Ciclo Rankine Introdução. Ciclo Rankine com superaquecimento. Ciclo Rankine com reaquecimento. Ciclos Rankine regenerativos. Combustíveis e combustão Classificação dos combustíveis. Poder calorífico dos combustíveis. Propriedades físicas dos combustíveis. Reações de combustão. Calor de combustão. Temperatura adiabática de chama. Geradores de vapor Classificação e partes componentes. Caldeiras com circulação forçada. Superaquecedores de vapor. Economizadores. Pré-aquecedores de ar. Tratamento de água de alimentação. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 10/84

11 Trocadores de Calor Classificação dos trocadores de calor e parâmetros operacionais. Dimensionamento pelo método da Diferença Média Logarítmica de Temperaturas (DMLT). Dimensionamento pelo método da Efetividade (e-nut). Determinação de perda de carga e taxas de transferência de calor nos componentes de um gerador de calor com superaquecedor, economizador e pré-aquecedor de ar. Projeto termo-hidráulico de trocadores de calor aplicado a geradores de vapor. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 11/84

12 Turbinas a vapor Turbinas de ação. Turbinas de ação de um estágio. Turbinas de ação de vários estágios. Turbinas com estágios de velocidades. Turbinas de reação. Utilização e distribuição de vapor Linhas de vapor: Classificação das tubulações. Tubos, materiais, processos de fabricação, normalização dimensional. Perdas de carga. Perdas de calor. Isolamento térmico. Meios de ligação. Válvulas: classificação, aplicação e seleção. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 12/84

13 Metodologia Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 13/84

14 Aulas expositivas do conteúdo programático com a utilização de recursos audiovisuais. Trabalhos para fixação do conteúdo. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 14/84

15 Avaliação Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 15/84

16 As avaliações serão compostas por provas e trabalhos. As provas terão 90 % de peso na avaliação. Os trabalhos terão 10% de peso na avaliação. Por exemplo: a prova vale 9,0 e a soma de todos os trabalhos (entregues na data marcada) vale 1,0. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 16/84

17 A média semestral do aluno será computada através das avaliações: MP = (P1 + P2 + P3)/3. Se MP > 6 (Discente Aprovado); Se MP < 6 (Discente deve fazer a Prova de Recuperação). Se o discente fizer a prova de recuperação (PR), calcula-se a média final semestral da seguinte forma: MF = (MP + PR)/2. Se MF > 6 (Discente Aprovado); Se MF < 6 (Discente REPROVADO). OBS: MP média das avaliações, PR prova de recuperação, MF média final semestral. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 17/84

18 Data das Avaliações P1: 08/08/13 P2: 29/08/13 P3: 03/10/13 Prova de Recuperação: 10/10/13 (TODO O CONTEÚDO PROGRAMÁTICO) O aluno tem direito a 2ª Chamada de Prova (respeitar as regras da UTFPR). Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 18/84

19 TRABALHOS Filosofia Uma das melhores maneiras de aprender alguma coisa é através da prática e repetição; Portanto, os trabalhos de casa são extremamente importantes nesta disciplina! Todos os trabalhos de casa serão cuidadosamente pensados de forma que você aproveite o máximo da disciplina; Se você estudar e compreender os trabalhos de casa, você não terá problemas nas provas. 19 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 19/84

20 Referências Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 20/84

21 Referências Básicas LORA, Electo Eduardo Silva; NASCIMENTO, Marco Antônio Rosa do (Coord.). Geração termelétrica : planejamento, projeto e operação, Volume 1. Rio de Janeiro, RJ: Interciência, (1265 p.) ISBN MORAN, M.J., SHAPIRO, H.N., Princípios de Termodinâmica para Engenharia, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A INCROPERA, F.P., De Witt, D., Transferência de Calor e de Massa, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., TELLES, P.C. Silva,Tubulações Industriais, Materiais, Projeto e Montagem, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.,1993. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 21/84

22 Referências Complementares WHITE, F.M.,Mecânica dos Fluidos,McGraw-Hill,2003. MACINTYRE, A.J. Instalações Hidráulicas,Guanabara Dois,1982. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 22/84

23 Aplicações da Termodinâmica Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 23/84

24 É difícil imaginar uma área que não se relacione à Termodinâmica de alguma maneira, pois todas as atividades da natureza envolvem alguma interação entre energia e matéria. O desenvolvimento de uma boa compreensão dos princípios básicos da Termodinâmica há muito constitui parte essencial do ensino da Engenharia. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 24/84

25 Centrais Termoelétricas Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 25/84

26 Centrais Nucleares Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 26/84

27 Turbina a Vapor Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 27/84

28 Caldeiras Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 28/84

29 Caldeira Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 29/84

30 Sistemas de Potência a Vapor Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 30/84

31 Locomotiva (animação) Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 31/84

32 Os sistemas de potência a vapor (SPV) são instalações industriais na qual a energia de um combustível fóssil, renovável ou nuclear é convertida em energia mecânica utilizando um fluido de trabalho que é vaporizado e condensado de modo alternativo. Na prática, este tipo de sistemas é usado na geração de energia elétrica nas conhecidas plantas termelétricas. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 32/84

33 Planta Termelétrica (animação) Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 33/84

34 Turbina (animação) Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 34/84

35 Torre de Resfriamento (animação) Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 35/84

36 Modelagem de Sistemas a Vapor A modelagem de sistemas termodinâmicos representa a etapa inicial do projeto de engenharia. Como os processos que ocorrem nos SPV são bastante complexos, a modelagem destes requer o uso de simplificações (idealizações). Ainda assim, a aplicação de tais modelos simplificados contribuem para o estudo do comportamento real do sistema. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 36/84

37 Modelagem de Sistemas a Vapor Subsistema A: Conversão de energia para trabalho Fluido de trabalho = água Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 37/84

38 Modelagem de Sistemas a Vapor Subsistema B: Fornecimento de energia para vaporizar a água Fluido de trabalho = água Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 38/84

39 Modelagem de Sistemas a Vapor Subsistema C: Circuito de água de resfriamento Fluido de trabalho = água Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 39/84

40 Modelagem de Sistemas a Vapor Subsistema D: Geração de eletricidade Fluido de trabalho = água Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 40/84

41 Análise dos sistemas de potencia a vapor (Ciclo de Rankine) Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 41/84

42 Todos os fundamentos necessários à análise termodinâmica dos sistemas de geração de potência já foram apresentados no curso anterior Princípios da conservação da massa e da energia, a segunda lei da termodinâmica e os dados termodinâmicos. Esses princípios se aplicam a componentes individuais de uma planta, tais como turbinas, bombas e trocadores de calor, bem como, às mais complexas plantas de potência como um todo. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 42/84

43 O primeiro aspecto a ser abordado na análise termodinâmica do SPV é o estudo do processo correspondente ao subsistema A, denominado de ciclo Rankine. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 43/84

44 Subsistema A: Ciclo de Rankine Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 44/84

45 Subsistema A: Ciclo de Rankine Cálculo do trabalho e das transferências de calor principais: Hipóteses As perdas de calor pelas fronteiras são desprezíveis; As variações das energias cinética e potencial são consideradas nulas; Todos os componentes operam em regime permanente (estacionário). Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 45/84

46 Subsistema A: Ciclo de Rankine Cálculo do trabalho e das transferências de calor principais: Caminho para a análise Uso das hipóteses acima Balanço de massa (Conservação da Massa) Balanço de energia (1ª Lei da Termodinâmica ou Conservação da Energia) Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 46/84

47 Conservação de Massa Utilizando o princípio da conservação da massa levando em consideração todas as entrada e saídas do volume de controle:.. dv me ms t VC e s ou dm dt VC e m.. e s m s Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 47/84

48 Conservação da Energia De uma forma mais geral, a equação do balanço de energia (a Primeira Lei da Termodinâmica) aplicada a um volume de controle: de dt V V 2 2 VC e s QVC WVC me he gze ms hs gzs e 2 s 2 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 48/84

49 Subsistema A: Ciclo de Rankine ANÁLISE DA TURBINA Processo A partir da caldeira no estagio 1, o vapor, tendo a sua temperatura e pressão elevadas, se expande ao longo da turbina para produzir trabalho; Em seguida é descarregado no condensador no estágio 2 com pressão relativamente baixa. Balanços de Massa e Energia: m m m W t m 1 2 h 1 h 2 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 49/84

50 Subsistema A: Ciclo de Rankine Onde: ANÁLISE DA TURBINA m é a vazão mássica do fluido de trabalho em kg/s; W / m t é a taxa pela qual o trabalho é desenvolvido por unidade de massa de vapor que passa pela turbina em J/kg. Balanços de Massa e Energia: m m m W t m 1 2 h 1 h 2 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 50/84

51 Subsistema A: Ciclo de Rankine ANÁLISE DO CONDENSADOR Processo No condensador ocorre a transferência de calor do vapor para a água de resfriamento que flui através de um circuito separado. O vapor se condensa e a temperatura da água de resfriamento aumenta. Balanços de Massa e Energia: m m m Q sai 3 2 m h h 2 3 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 51/84

52 Subsistema A: Ciclo de Rankine Onde ANÁLISE DO CONDENSADOR Q sai m é a taxa pela qual a energia é transferida pelo calor do fluido de trabalho para a água de resfriamento por unidade de massa de fluido de trabalho que passa pelo condensador em J/kg. Aqui a energia transferida é positiva no sentido da seta indicada. Balanços de Massa e Energia: m m m Q sai 3 2 m 2 3 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 52/84 h h

53 Subsistema A: Ciclo de Rankine ANÁLISE DA BOMBA Processo O líquido condensado que deixa o condensador em 3 é bombeado do condensador para a caldeira a uma pressão maior. W b m é a potência de entrada por unidade de massa que passa pela bomba em J/kg. Aqui a energia transferida é positiva no sentido da seta indicada. Balanços de Massa e Energia: m m m 4 3 W b h h 4 3 m Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 53/84

54 Subsistema A: Ciclo de Rankine ANÁLISE DA CALDEIRA Processo O fluido de trabalho completa o ciclo quando o líquido que deixa a bomba em 4 (água de alimentação da caldeira) é aquecido até a saturação e evapora na caldeira. Lembrando que o V.C. envolve os tubos e tambores da caldeira que conduzem a água de alimentação do estágio 4 ao 1. Balanços de Massa e Energia: m m m Q entra 1 4 h h m 1 4 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 54/84

55 Subsistema A: Ciclo de Rankine ANÁLISE DA CALDEIRA Onde Q m entra é a taxa de transferência de calor da fonte de energia para o fluido de trabalho por unidade de massa que passa pela caldeira em J/kg. Balanços de Massa e Energia: m m m 1 4 Q entra h h m 1 4 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 55/84

56 Subsistema A: Ciclo de Rankine PARÂMETROS DE DESEMPENHO Eficiência Térmica Mede a quantidade de energia fornecida ao fluido de trabalho na caldeira que é convertida em trabalho líquido de saída. A eficiência térmica do ciclo de Rankine é dada por: W t m W b Q m entra m h 1 h2 h4 h3 h h 1 4 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 56/84

57 Subsistema A: Ciclo de Rankine PARÂMETROS DE DESEMPENHO Eficiência Térmica W De outra forma, o trabalho líquido de saída é igual ao calor líquido de entrada: t m W b m Q entra Assim, alternativamente: m Q sai m Qentra m Q h h sai m 1 Q m h h entra Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 57/84

58 Subsistema A: Ciclo de Rankine PARÂMETROS DE DESEMPENHO back work ratio (bwr) É a relação entre o trabalho de entrada na bomba e o trabalho desenvolvido pela turbina; Para o caso da planta em análise, o bwr é expresso por: bwr t W h h b m W m h h Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 58/84

59 Subsistema A: Ciclo de Rankine Observação: As equações de desempenho anteriores são aplicáveis para casos reais (irreversibilidades presentes nos componentes do SPV) e para os casos ideais (ausência de irreversibilidades). O ciclo Rankine ideal estabelece o limite superior do desempenho de um SPV. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 59/84

60 Ciclo Ideal de Rankine Supondo que o fluido de trabalho passa pelos vários componentes do ciclo de potência a vapor sem irreversibilidades (processos ideias); Não haverá queda de pressão por atrito na caldeira e no condensador; O fluido de trabalho escoará através desses componentes à pressão constante. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 60/84

61 Ciclo Ideal de Rankine Além disso, na ausência de irreversibilidades e de transferência de calor com as vizinhanças, o processo através da turbina e da bomba será isoentrópico. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 61/84

62 Ciclo Ideal de Rankine Processo 1-2: Expansão isoentrópica do fluido através da turbina na condição de vapor saturado no estágio 1 até a pressão do condensador. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 62/84

63 Ciclo Ideal de Rankine Processo 2-3: Transferência de calor do fluido quando escoa à pressão constante através do condensador chegando no estado de líquido saturado ao estágio 3. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 63/84

64 Ciclo Ideal de Rankine Processo 3-4: Compressão isoentrópica na bomba até o estágio 4 na região de líquido comprimido. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 64/84

65 Ciclo Ideal de Rankine Processo 4-1: Transferência de calor para o fluido de trabalho quando este escoa à pressão constante através da caldeira para completar o ciclo, saindo no estágio 1 no estado de vapor saturado. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 65/84

66 Ciclo Ideal de Rankine Como o ciclo ideal de Rankine consiste de processos reversíveis internos, as áreas sob as curvas da figura anterior podem ser interpretadas como transferências de calor por unidade de massa que escoa. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 66/84

67 Revisão de Termodinâmica A Da definição de entalpia, tem-se que Q int rev T ds Com isso, a transferência de calor total durante um processo internamente reversível é determinada por Q int rev 2 1 T ds que corresponde a área sob a curva do processo num diagrama T-S. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 67/84

68 Revisão de Termodinâmica A Um caso especial no qual essas integrações podem ser efetuadas facilmente é o processo isotérmico internamente reversível. Q ou, por unidade de massa, int rev T 0 S q int rev T 0 s sendo que T 0 é a temperatura constante do sistema e ΔS é a variação da entropia do sistema durante um processo. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 68/84

69 Ciclo Ideal de Rankine Como o ciclo ideal de Rankine consiste de processos reversíveis internos, as áreas sob as curvas da figura anterior podem ser interpretadas como transferências de calor por unidade de massa que escoa. A Área 1-b-c-4-a-1 representa a transferência de calor para o fluido de trabalho que passa através da caldeira. A Área 2-b-c-3-2 representa a transferência de calor do fluido de trabalho que passa pelo condensador. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 69/84

70 Ciclo Ideal de Rankine Como o ciclo ideal de Rankine consiste de processos reversíveis internos, as áreas sob as curvas da figura anterior podem ser interpretadas como transferências de calor por unidade de massa que escoa. A Área Fechada a-1 pode ser interpretada como a entrada líquida de calor ou, de modo equivalente, o trabalho líquido de saída, ambos por unidade de massa que escoa. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 70/84

71 Revisão de Termodinâmica A O trabalho reversível resultante associado a um processo internamente reversível de um dispositivo com escoamento em regime permanente, desprezando as variações de energias cinética e potencial, é expresso por w rev 2 1 v dp Quando o fluido de trabalho é incompressível (v = cte), tem-se que w rev v p p vp p2 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 71/84

72 Ciclo Ideal de Rankine Como a operação da bomba é idealizada sem irreversibilidades, lembramos também que, de forma alternativa, o trabalho da bomba pode ser calculado: OBS: o valor negativo foi eliminado para manter a consistência com a equação anterior: W b Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 72/84 W b m int.rev. m 3 4 vdp h 4 h 3

73 Ciclo Ideal de Rankine O cálculo da integral da equação anterior requer uma relação entre o volume específico e a pressão para o processo. Uma vez que o volume específico de um líquido normalmente varia apenas ligeiramente no passo pela bomba, uma aproximação razoável para resolver a integral é considerar o volume constante no valor da entrada da bomba (volume específico v 3 ): W b m int.rev. v p p Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 73/84

74 Ciclo Ideal de Rankine O ciclo Rankine ideal também inclui a possibilidade de superaquecimento do vapor ( ). Isto será visto em detalhe mais adiante. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 74/84

75 EFEITO DA PRESSÃO NA CALDEIRA E NO CONDENSADOR A eficiência térmica de um ciclo de potência tende a aumentar quando a temperatura média, pela qual a energia é adicionada por transferência de calor, aumenta e/ou a temperatura média, pela qual a energia é rejeitada, diminui. Calor que entra: Qentra m Tds 1 int.rev 4 Q entra m área 1 b c 4 a 1 int.rev Q m T s s entra int.rev entra 1 4 Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 75/84

76 EFEITO DA PRESSÃO NA CALDEIRA E NO CONDENSADOR A eficiência térmica de um ciclo de potência tende a aumentar quando a temperatura média, pela qual a energia é adicionada por transferência de calor, aumenta e/ou a temperatura média, pela qual a energia é rejeitada, diminui. Calor que sai: Qsai m Tds 3 int.rev 2 Q sai m área 2 b c 3 2 int.rev Q sai m Tsai s2 s3 int.rev Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 76/84

77 EFEITO DA PRESSÃO NA CALDEIRA E NO CONDENSADOR A eficiência térmica de um ciclo de potência tende a aumentar quando a temperatura média, pela qual a energia é adicionada por transferência de calor, aumenta e/ou a temperatura média, pela qual a energia é rejeitada, diminui. Eficiência Térmica do Ciclo: ideal 1 Q Q sai entra m m int.rev int.rev. ideal T T 1 sai entra Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 77/84

78 EFEITO DA PRESSÃO NA CALDEIRA E NO CONDENSADOR Pressão Constante no Condensador A temperatura média no processo de adição de calor é maior para o ciclo de pressão mais alta do que para o ciclo O aumento da pressão da caldeira do ciclo ideal de Rankine tende a aumentar a eficiência térmica ideal T 1 sai T entra Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 78/84

79 EFEITO DA PRESSÃO NA CALDEIRA E NO CONDENSADOR Pressão Constante na Caldeira A temperatura média no processo de rejeição de calor é menor para o ciclo de pressão mais baixa 1-2"-3"-4"-1 do que para o ciclo A diminuição da pressão do condensador do ciclo ideal de Rankine tende a aumentar a eficiência térmica ideal T 1 sai T entra Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 79/84

80 Comparação com o ciclo de Carnot Deficiências do Ciclo de Carnot para SPV Limitação no uso do calor dos gases de combustão para produção de potência. Bombeamento de fluidos com misturas de duas fases. O ciclo Rankine ideal apresenta eficiência térmica menor do que o ciclo de Carnot Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 80/84

81 Lista de Exercícios Fazer os exercícios 8.1, 8.6, 8.7 e 8.9 (5ª Ed. Moran e Shapiro): Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 81/84

82 Lista de Exercícios Fazer os exercícios 8.3, 8.11, 8.13 e 8.15 (5ª Ed. Moran e Shapiro): Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 82/84

83 1º Trabalho Entrega dia 13/06 Fazer os exercícios 8.2, 8.4 e 8.5 (5ª Ed. Moran e Shapiro): Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 83/84

84 Fonte Bibliográfica BORGNAKKE, C. & SONNTAG, R.E., Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo, SP: Edgard Blücher, 659p. ÇENGEL, Y.A. & BOLES, M.A., Termodinâmica. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 740p. MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 800p. Sistemas de Potência a Vapor (SVP) 84/84