Uma usina de potência a vapor opera em um ciclo de Rankine regenerativo ideal. O vapor entra na turbina a 6 MPa e 450^circ C e é condensado no condensador a 20 kPa . Vapor é extraído da turbina a 0,4 MPa para aquecer a água de alimentação em um aquecedor de água de alimentação aberto. A água deixa o aquecedor de água de alimentação como líquido saturado. Mostre o ciclo em um diagrama T-s e determine (a) o trabalho líquido por quilograma de vapor que escoa na caldeira e (b) a eficiência térmica do ciclo. Respostas: (a) 1017 kJ / kg (b) 37,8 %

Passo 1

Opa! Então a questão é sobre um ciclo de Rankine regenerativo ideal. A gente tem vapor entrando na turbina a 6 MPa e 450 °C, sai condensado a 20 kPa, e há extração a 0,4 MPa para um aquecedor aberto de água de alimentação.
Conteúdo: tabelas de vapor (para obter e ), processos isentrópicos (turbina e bombas), balanço de energia num aquecedor aberto (determinar fração extraída) e definição de rendimento térmico.
O que vamos precisar:
• Propriedades do vapor em cada pressão/temperatura (tabelas de vapor saturado e superaquecido).
• Entender que em processos isentrópicos í.
• Balanço de energia no feed-water heater aberto: mistura de kg/s de vapor com kg/s de líquido (saem 1 kg/s).

Passo 2

Determinar as propriedades nos pontos-chave:
  1. Estado 1 (entrada da turbina):
    h1approx 3315;kJ/kg, s1approx 6,70;kJ/(kgcdot K), s2=s1=6,70;kJ/(kgcdot K), P2=0,4;MPa.
    • Da tabela superaquecido: x2 = s2 - sfsg - sf
  2. Estado 2 (ponto de extração): expansão isentrópica de 6 MPa→0,4 MPa, logo h2 = hf + x2,hfg Na tabela de vapor saturado a 0,4 MPa: s3 = s2, P3 = 20;kPa, , h3 = hf + x3,hfg(a 20 kPa) , h4 = hfl(P=20 kPar) , h5 = h4 + v4,(P5 - P4)l(v4approx vfr) .
    • Qualidade: h6 = hfl(P=0,4 MPar) • Enthalpia: h7 = h6 + v6,(P1 - P5)
  3. Estado 3 (saída final da turbina): expansão isentrópica de 0,4 MPa→20 kPa, então e calcula-se e depois
  4. Estado 4 (saída do condensador): líquido saturado a 20 kPa ⇒
  5. Estado 5 (saída da bomba 1, de 20 kPa→0,4 MPa, vazão ):
  6. Estado 6 (saída do feed-water heater aberto): líquido saturado a 0,4 MPa ⇒
  7. Estado 7 (saída da bomba 2, de 0,4 MPa→6 MPa, vazão 1 kg/s):

Passo 3

Balanço de energia no aquecedor aberto (base: 1 kg/s de vapor na caldeira, fração y,h2 ;+;(1-y),h5 ;=; 1cdot h6 Longrightarrow y = h6 - h5h2 - h5 extraída):

Passo 4

Agora o trabalho:
• Turbina está em duas etapas:
WT1 = h1 - h2, WT2 = (1-y),(h2 - h3)
Somando:
WT = WT1 + WT2
• Bombas:
WB1 = (1-y),(h5 - h4), WB2 = h7 - h6
WB = WB1 + WB2
• Trabalho líquido por kg na caldeira:
Wlíq = WT - WB í

Passo 5

Calor fornecido na caldeira (por kg de vapor gerado):
Qin = h1 - h7
Rendimento térmico do ciclo:
eta = WlíqQintimes 100% í

Resposta

(a) í
(b)

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