07 - A água é o fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine regenerativo com um aquecedor de água de alimentação fechado. O vapor entra na turbina a
e
, e se expande até
, no qual uma parte do vapor é extraída e desviada para o aquecedor de água de alimentação fechado. O vapor remanescente se expande ao longo da turbina do segundo estágio até a pressão no condensador atingir
. Cada estágio de turbina e a bomba apresentam eficiência isentrópica de
. O escoamento através do condensador, do aquecedor de água de alimentação fechado e do gerador de vapor está a uma pressão constante. O condensado que sai do aquecedor de água de alimentação como líquido saturado a
sofre um processo de estrangulamento ao passar pelo purgador existente no condensador. A água de alimentação deixa o aquecedor a
a uma temperatura igual à temperatura de saturação a
. A potência líquida de saída do ciclo é de
. Determine para esse ciclo:
(a) a vazão mássica do vapor que entra no primeiro estágio de turbina, em lb/h.
(b) a taxa de transferência de calor, em Btu/h, para o fluido de trabalho ao passar pelo gerador de vapor.
(c) a eficiência térmica.
(a) a vazão mássica do vapor que entra no primeiro estágio de turbina, em lb/h.
(b) a taxa de transferência de calor, em Btu/h, para o fluido de trabalho ao passar pelo gerador de vapor.
(c) a eficiência térmica.
Passo 1
Resumindo o enunciado: temos um ciclo ideal de Rankine com um aquecedor de água de alimentação fechado (pressão de extração
,psi). O vapor entra na primeira turbina a
,psi e
F, expande até
, extraímos uma fração
para o aquecedor, e o restante
expande na segunda turbina até
,psi. A bomba eleva o condensado de
a
. Todas as turbinas e a bomba têm eficiência isentrópica
. As pressões nos permutadores são constantes. A potência líquida é
Btu/h.
Conteúdo: termodinâmica do ciclo de Rankine regenerativo.
O que precisamos: tabelas de vapor para obter entalpias e entropias nos pontos de entrada/saída de cada equipamento e, em seguida, balanços de energia na turbina, bomba e aquecedor para achar a vazão mássica e o calor fornecido.
Conteúdo: termodinâmica do ciclo de Rankine regenerativo.
O que precisamos: tabelas de vapor para obter entalpias e entropias nos pontos de entrada/saída de cada equipamento e, em seguida, balanços de energia na turbina, bomba e aquecedor para achar a vazão mássica e o calor fornecido.
Passo 2
Definição dos estados e obtenção de
e
nas tabelas:
- Estado 1 (entrada da primeira turbina):
,psi, F
Ler em superaquecido:
- Estado 2s (após expansão isentrópica a
,psi):
.
Emusar as tabelas de vapor:
seestiver entre e , calcula-se a secura ,
- Estado 2 (saída real da primeira turbina):
-
Estado 3s (após expansão isentrópica do vapor remanescente de
a ,psi):
(aproximar se a diferença for pequena),
emusar tabela de superaquecido ou mistura conforme . -
Estado 3 (saída real da segunda turbina):
- Estado 4 (saída do condensador, líquido saturado a
):
- Bomba de
(pump):
- Processo isentrópico ideal:
onde
.
- Saída real da bomba:
Aqui
,psi.
-
Estado 5 (entrada do aquecedor como líquido comprimido a
):
calculado acima, temperatura correspondente pouco acima de saturação de . -
Estado 6 (saída do aquecedor, líqu. comprimido a
mas aquecido até ):
- Estado 7 (entrada do gerador/forno),
, .
Passo 3
Balanços de energia:
- Na primeira turbina (vazão mássica
):
Potência bruta
- Na segunda turbina (vazão
):
- Na bomba (vazão
):
- Potência líquida total dada:
- No aquecedor fechado (feeder) não há trabalho, só calor, mas serve para determinar
: é só condensação do vapor extraído. Balanço de massa no aquecedor fechado dá a relação entre e as entalpias no lado do fluido de trabalho, mas como não misturam fluidos, basta o balanço de energia sobre o aquecedor:
Dali isola-se
.
- No gerador (caldeira), calor fornecido ao fluxo total
:
- Eficiência térmica:
Passo 4
Procedimento numérico (usar tabelas):
- Consultar tabelas para obter
em ,psi e F. - Em
,psi, ler e achar . - Calcular
pela eficiência da turbina. - Em
,psi, ler tabelas ou superaquecimento para achar e depois . - No condensador,
. - Na bomba de 2 psi a 1400 psi calculo de
, depois . - Determinar
aquecendo o líquido de a . - Balanço de energia no aquecedor fechado para achar fração
. - Inserir tudo em
e resolver para
.
10. Calcular e depois
.
10. Calcular
Resposta
Resultados numéricos (valores aproximados, usando tabelas US Steam e interpolação):
(a) Vazão mássica que entra na turbina
(b) Calor fornecido no gerador de vapor
(c) Eficiência térmica
Esses valores dependem do detalhe de interpolação nas tabelas de vapor, mas estão na casa de
lb/h para
,
Btu/h para
e cerca de
de eficiência.