Objectivos de Aprendizagem
Operar a Central em plena capacidade de geração e calcular a Eficiência da Central quando a central estiver em funcionamento:
- Em condições normais,
- Com a temperatura da água de refrigeração muito alta (temperatura da água do lago: 35°C),
- Sem regeneração.
Excluindo as centrais hidroeléctricas, a maior parte das centrais eléctricas utiliza um tipo de caldeira e turbina a vapor. Um diagrama esquemático de uma usina de vapor simples é mostrado abaixo:
Vapor de alta pressão sai da caldeira e entra na turbina. O vapor expande-se na turbina e faz um trabalho que permite à turbina acionar o gerador elétrico. O vapor de escape sai da turbina e entra no condensador onde o calor é transferido do vapor para a água de arrefecimento. A pressão do condensado que sai do condensador é aumentada na bomba, permitindo assim que o condensado flua para a caldeira. Este ciclo termodinâmico é conhecido como Ciclo Rankine.
O Ciclo Rankine Eficiência
Como observado acima, algum calor é sempre perdido do vapor para a água de resfriamento. Além disso, as bombas de alimentação consomem energia, reduzindo assim a produção líquida de trabalho. A Eficiência do Ciclo Rankine então pode ser expressa como:
ou
referindo ao diagrama acima e usando os valores de entalpia no ciclo Rankine, nós podemos escrever:
Improvimentos para a eficiência do ciclo Rankine
Efeito da pressão e temperatura no ciclo Rankine
Se a pressão de escape cai de P4 para P4′ com a correspondente diminuição da temperatura na qual o calor é rejeitado no condensador, o trabalho da rede é aumentado pela área 1-4-4′-1′-2′-2-1 (ver diagrama abaixo)
Em modo semelhante, se o vapor for superaquecido na caldeira, é evidente que o trabalho é aumentado pela área 3-3′-4′-4-3 (ver diagrama abaixo):
A superaquecimento do vapor é feito aumentando o tempo que o vapor é exposto aos gases de combustão. O resultado do superaquecimento é que para uma determinada potência, a planta que utiliza vapor superaquecido será de menor tamanho do que aquela que utiliza vapor saturado seco.
O ciclo de superaquecimento
Acima notamos que a eficiência do ciclo Rankine é aumentada pelo superaquecimento do vapor. Se fossem encontrados metais que nos permitissem atingir temperaturas mais elevadas, o ciclo Rankine poderia ser mais eficiente. Para melhorar a eficiência, foi desenvolvido o ciclo de reaquecimento que é mostrado esquematicamente abaixo:
Neste ciclo, o vapor é expandido para alguma pressão intermediária na turbina e é então reaquecido na caldeira, após o que ele se expande na turbina de baixa pressão até a pressão de exaustão. O ciclo Rankine com eficiência térmica de reaquecimento pode ser expresso como:
O ciclo regenerativo
Outra variação do ciclo Rankine é o ciclo regenerativo, que envolve o uso de aquecedores de água de alimentação. Durante o processo entre os estados 2 e 2′ a água de alimentação é aquecida e a temperatura média é muito mais baixa durante este processo do que durante o processo de vaporização 2′-3. Em outras palavras, a temperatura média na qual o calor é fornecido no ciclo Rankine é menor que no ciclo Carnot 1′-2′-3-4-1′, e consequentemente a eficiência do ciclo Rankine é menor que a do ciclo Carnot correspondente. A relação entre o ciclo Carnot e o ciclo Rankine é mostrada abaixo.
No ciclo regenerativo, a água de alimentação entra na caldeira em algum ponto entre 2 e 2′. Como resultado, a temperatura média em que o calor é fornecido é aumentada. Um esquema de ciclo prático é mostrado abaixo:
A eficiência térmica da planta
A fim de calcular a eficiência térmica global da planta, precisamos ajustar as fórmulas acima para incorporar o calor adicionado nas seções de reaquecimento da caldeira:
Instruções do laboratório
Executar a condição inicial I10 230 MW_oil_auto:
- Traçar um diagrama T-S do ciclo Rankine (não à escala) incluindo reaquecimento e regeneração,
- Utilizar o Trend Group Directory, recolher os valores de processo relevantes,
- Calcular a eficiência térmica global da planta:
- Em condições normais,
- Quando a temperatura da água de refrigeração é muito alta (Definir a lista de variáveis Página 0100, tag#: T00305 a 35°C),
- Quando todas as válvulas de extracção de vapor estão fechadas (i.e. sem regeneração e T00305 ajustado para 10°C),
Pontas & Dicas
Neste laboratório, você está essencialmente calculando a eficiência térmica do Ciclo Rankine. Entretanto, você precisa levar o ciclo de reaquecimento em consideração e registrar as seguintes tags em suas tendências:
- Q02395 Reheater 1 calor transferido
- Q02375 Reheater 2 calor transferido
Para a temperatura de entrada da água de alimentação da caldeira, você pode usar a tag# de temperatura de saída da água de alimentação do trocador de calor de partida: T02447.
Para o segundo cálculo, localize a lista de variáveis Página 0100 como mostrado abaixo:
Para o terceiro cálculo, certifique-se de que fechou todas as válvulas de extração de vapor e ajuste T00305 para 10°C:
>
Para calcular os valores de entalpia, pode utilizar uma aplicação ou uma ferramenta online como a Tabela de Vapor Superaquecido: https://goo.gl/GdVM4U
Entalpia
O seu relatório de laboratório deve incluir o seguinte:
- Diagrama T-S: Conforme as instruções acima,
- Trend plots: Forneça todas as parcelas tomadas para este laboratório,
- Computação: Use MATLAB ou MS Excel e calcule a eficiência térmica geral da planta conforme as instruções do laboratório,
- Conclusão: Escreva um resumo (máx. 500 palavras, em uma caixa de texto se estiver usando Excel) comparando seus resultados e sugestões para estudo posterior.
Outra Leitura:
- Applied Thermodynamics for Engineering Technologists by T. D. Eastop e A. McConkey: Steam Plant.
- Fundamentals of Classical Thermodynamics SI Version de G. J. Van Wylen e R. E. Sonntag: Ciclos de potência de vapor.
- Termodinâmica e Poder Calorífico de I. Granet: Ciclos de potência do vapor.