Termodinâmica em Misturas: Ciclos de Potência a Vapor e sua Eficiência

TERMODINÂMICA EM MISTURAS Nivea de Lima da Silva OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM Discutir o ciclo de Rankine e a sua eficiência Descrever a segunda lei para ciclos de potência a vapor Explicar o funcionamento dos ciclos combinados gásvapor Introdução Os ciclos de potência a vapor representam uma das aplicações fundamentais da termodinâmica nos processos industriais Esses ciclos são constituídos por diversos equipamentos como condensadores bombas turbinas e motores Neste capítulo você vai estudar o funcionamento dos ciclos de potência e vai compreender a importância desses ciclos para as atividades industriais Você também vai descobrir as diferenças entre o ciclo de Rankine e o ciclo de Carnot e vai verificar a aplicação da segunda lei da termodinâmica no cálculo das caracterís ticas dos ciclos de potência Por fim você vai estudar sobre os ciclos combinados gásvapor e os benefícios desse sistema para as usinas termoelétricas Ciclos de potências a vapor e combinados Ciclo de Rankine e suas eficiências O ciclo de Carnot é um ciclo ideal que não consegue ser reproduzido na prática devido aos problemas que esse ciclo causa nos equipamentos industriais Esse ciclo apresenta a máxima eficiência na conversão de calor em trabalho FERNANDES PIZZO MORAES JR 2006 Já o ciclo de Rankine é um modelo de ciclo alternativo ao ciclo de Carnot utilizado como padrão principalmente para plantas de potência que queimam combustíveis fósseis As etapas de expansão adiabática e reversível do fluído no ciclo de Carnot são apresentadas na Figura 1 Na etapa 23 o trabalho mecânico é obtido devido à conversão de energia interna das moléculas em energia mecânica A etapa que traz o ciclo de volta à origem corresponde à etapa de 4 para 1 41 que produz água líquida e saturada Dessa forma o ciclo de Carnot possui as seguintes limitações ÇENGEL BOLES 2013 FERNANDES PIZZO MORAES JR 2006 1 A transferência de calor é limitada ao sistema bifásico devendo a temperatura máxima permanecer abaixo da temperatura crítica da água 374C diminuindo a eficiência térmica do sistema 2 A expansão térmica ocasiona a formação de vapor rico em umidade o que provoca problemas de erosão na turbina 3 A compressão isentrópica de uma mistura bifásica produzindo líquido saturado dificulta o controle do processo de condensação ainda é inviável o projeto de compressores que operam com duas fases Por outro lado as etapas 12 e 34 podem ser reproduzidas em caldeiras e condensadores A transferência de calor isotérmica de um sistema bifásico ou para um sistema bifásico não é difícil de ser reproduzida na prática Isso porque ao se fixar a pressão automaticamente a temperatura é fixada no valor de saturação Por outro lado fixar a temperatura máxima do ciclo limita tam bém a eficiência térmica pois elevar a temperatura máxima do ciclo envolve transferência de calor para o fluído de trabalho que deve ocorrer em única fase o que não é fácil de se realizar isotermicamente ÇENGEL BOLES 2013 Ciclos de potências a vapor e combinados 2 Figura 1 Diagrama temperaturaentropia Ts do ciclo a vapor de Carnot Fonte Çengel e Boles 2013 p 556 Alguns inconvenientes do ciclo de Carnot são solucionados com a produção do vapor superaquecido na caldeira e a posterior condensação completa dessa corrente surgindo assim o ciclo de Rankine ideal Esse é o ciclo ideal das usinas a vapor ÇENGEL BOLES 2013 As etapas presentes no ciclo de Rankine ideal são apresentadas nas Figuras 2 e 3 e no Quadro 1 Esse ciclo é constituído por quatro processos que contam com os seguintes equipamentos bomba turbina e condensador Observando o gráfico da Figura 2 podemos verificar um fato bastante curioso considerandose que a água passa da etapa 1 para a etapa 2 que corresponde à compressão desse fluído observase um aumento de temperatura da água com a compressão Mas se a água fosse um fluído incompressível será que isso ocorreria Ciclos de potências a vapor e combinados 3 Figura 2 Ciclo de Rankine simples ideal Fonte Çengel e Boles 2013 p 559 Ciclos de potências a vapor e combinados 4 Figura 3 Ciclo de Rankine Fonte Adaptada de Çengel e Boles 2013 1 2 2 3 3 4 4 1 Compressão isentrópica Expansão isentrópica TURBINA Retirada de calor á Pcte CONDENSADOR Aquecimento na caldeira á Pcte Onde Pcte pressão constante No Quadro 1 são apresentadas as etapas pontuais descritas no ciclo de Rankine Podemos observar que a água sai do condensador e é comprimida até a pressão de operação da caldeira nesse equipamento ela é aquecida passando de líquido comprimido para vapor superaquecido Esse vapor ao entrar na turbina sofre expansão e produz trabalho girando o eixo de um gerador elétrico Após a etapa 4 ocorre a redução da temperatura e da pressão do fluído formando uma mistura de líquido e vapor saturado Ao sair do condensador formase uma mistura de líquido saturado que entra na bomba completando o ciclo ÇENGEL BOLES 2013 Quadro 1 Sequência de processos do ciclo de Rankine Etapas Descrição 1 O líquido saturado sai do condensador 2 O líquido pressurizado sai pela bomba 3 O líquido é aquecido na caldeira 4 O líquido sofre expansão produzindo trabalho mecânico Ciclos de potências a vapor e combinados 5 A caldeira ou gerador de vapor nada mais é do que um grande trocador de calor no qual o calor proveniente de outras partes do processo como reatores e gás de combustão é utilizado para aquecer a água a pressão constante ÇENGEL BOLES 2013 Como calcular a eficiência do ciclo de Rankine ideal A equação de energia que é utilizada para sistemas em regime permanente é perfeitamente aplicável ao ciclo de Rankine pois os quatro equipamen tos a bomba o condensador a caldeira e a turbina operam em regime permanente ÇENGEL BOLES 2013 Na equação de energia consideramse os aspectos a seguir 1 As variações de energias potencial e cinética do vapor são pequenas quando comparadas com o trabalho w e a transferência de calor 2 A caldeira e o condensador não realizam nenhum trabalho e considera se que a bomba e a turbina são isentrópicas Logo a equação de variação de energia equação 1 passa a ser a equação 2 em que a variação de calor da bomba é desprezível q 0 A equação de energia 1 aplicada a um sistema em regime permanente por unidade de massa de vapor será qentra qsai wentra wsai hsai hentra 1 Sendo a variação de calor da bomba desprezível q 0 temos a seguinte equação wbomba entra h2 h1 2 que pode ser reescrita da seguinte forma wbomba entra vP2 P1 3 Sendo que h1 é a entalpia do líquido a pressão constante e v é o volume específico do líquido a pressão constante νl Ciclos de potências a vapor e combinados 6 Considerandose os dados presentes na Figura 2 determine qual é o decréscimo da eficiência ocasionado pelo uso do ciclo Rankine ideal em comparação com o ciclo de Carnot Sabese que os limites de temperatura do ciclo são de 9176C a 350C qsai 20186 kJkg qentra 27286 kJkg Ocorre uma queda na eficiência de 60 Podemos aumentar e eficiência térmica do ciclo de Rankine Para aumentar a eficiência térmica do ciclo de Rankine é necessário aumentar a temperatura média na qual o calor é transferido para o fluído de trabalho na caldeira ou diminuir a temperatura média na qual o calor é rejeitado pelo fluído de trabalho no condensador Isso pode ser feito de três formas ÇENGEL BOLES 2013 1 reduzindo a pressão do condensador 2 superaquecendo o vapor a temperaturas mais altas 3 aumentando a pressão da caldeira A redução da pressão do condensador ocasiona a redução da temperatura do vapor Isso porque o vapor do condensador é uma mistura saturada que está na temperatura de saturação correspondente à pressão no condensa dor Esse fato ocasiona o aumento da eficiência térmica do ciclo de Rankine Um dos inconvenientes dessa operação é a possibilidade de ocorrência da infiltração do ar ambiente para dentro do condensador aumentando a umi dade do vapor nos estágios finais da turbina Lembrando que a presença de grandes quantidades de vapor é totalmente indesejável para as turbinas pois ocasiona a redução da eficiência desse equipamento e a erosão das pás da turbina ÇENGEL BOLES 2013 Ciclos de potências a vapor e combinados 9 Outra variável que contribui para o aumento da eficiência térmica do ciclo é o superaquecimento do vapor a altas temperaturas Essa operação ocasiona o aumento da temperatura média com a qual o calor é transferido para o vapor sendo realizada sem o aumento da pressão na caldeira e ocasionando o aumento tanto do trabalho líquido quanto do consumo de calor devido ao superaquecimento do vapor Outro benefício dessa operação é a redução do conteúdo de umidade na saída da turbina ÇENGEL BOLES 2013 O aumento da eficiência térmica do ciclo pode vir por meio do aumento da pressão da caldeira Essa operação ocasiona o aumento da temperatura de ebulição e consequentemente eleva a temperatura média com a qual o calor é transferido para o vapor Essa operação ocasiona o aumento do teor de umidade do vapor na saída da turbina mas esse inconveniente pode ser resolvido por meio do superaquecimento do vapor como citado no parágrafo anterior ÇENGEL BOLES 2013 Ciclo de Rankine regenerativo ideal Sabemos que o aumento da pressão da caldeira possibilita o aumento da eficiência do ciclo porém ocasiona o aumento da umidade na saída da turbina Como resolver esse impasse Existem duas alternativas descritas a seguir 1 Superaquecer o vapor a temperaturas muito altas antes que ele entre na turbina Isso ocasiona o aumento da temperatura média na qual o calor é fornecido aumentando a eficiência do ciclo Mas essa opção não é viável porque ocasiona o aumento da temperatura do vapor até valores que não são metalurgicamente seguros ou seja os equipamentos não suportariam esse acréscimo de temperatura ÇENGEL BOLES 2013 2 Outra alternativa seria expandir o vapor da turbina em dois estágios e reaquecêlo entre eles Essa alternativa é a solução para a umidade do vapor e vem sendo utilizada com sucesso nas usinas a vapor moder nas Dessa forma surgiu o ciclo de Rankine ideal com reaquecimento ÇENGEL BOLES 2013 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento difere do ciclo de Rankine ideal porque o processo de reaquecimento ocorre em dois estágios conforme apresentado na Figura 4 O primeiro estágio é constituído por uma turbina de alta pressão O vapor é expandido de forma isentrópica até uma pressão intermediária e reenviado para a caldeira na qual é reaquecido de forma constante geralmente até a temperatura de entrada do primeiro estágio Ciclos de potências a vapor e combinados 10 da turbina Em seguida o vapor se expande isentropicamente no segundo estágio que é a turbina de baixa pressão até a pressão do condensador Dessa forma podemos definir o fornecimento total do calor e a produção de trabalho total nas turbinas para um ciclo com reaquecimento da seguinte forma ÇENGEL BOLES 2013 qent qprimário qreaquecido 9 qent qprimário qreaquecido h3 h2 h5 h4 wturbinasai wturbI wturbII h3 h4 h5 h6 Figura 4 Ciclo de Rankine ideal com reaquecimento Fonte Çengel e Boles 2013 p 568 A incorporação de um único reaquecimento em uma usina moderna au menta a eficiência de 4 a 5 por causa do aumento da temperatura média em que o calor é transferido para o vapor ÇENGEL BOLES 2013 Ao analisarmos a Figura 5 notase que o calor é transferido para o fluido de trabalho durante o processo 22 a uma temperatura relativamente baixa Esse fato reduz a temperatura média do processo de fornecimento do calor e consequentemente a eficiência do ciclo ÇENGEL BOLES 2013 Para minimizar esse problema temos que aumentar a temperatura do líquido que sai da bomba água de alimentação antes que a água entre na caldeira ÇENGEL BOLES 2013 Temos duas alternativas descritas a seguir Ciclos de potências a vapor e combinados 11 A segunda lei da termodinâmica para o ciclo de potência A segunda lei da termodinâmica está relacionada à espontaneidade dos fenômenos físicoquímicos dizendo se um fenômeno vai ocorrer ou não por meio da entropia S que é a variável de estado do sistema que permite representar o caráter unidirecional dos processos espontâneos e demons trar se o processo é possível ou não FERNANDES PIZZO MORAES JR 2006 A segunda lei da termodinâmica ensina que o universo caminha em direção à maximização de entropia e à medida que o processo avança não existe possibilidade de retorno ao estado original A análise dessa lei para esse ciclo nos permite descobrir onde estão os maiores pontos de irreversibilidade ÇENGEL BOLES 2013 Já sabemos que o ciclo de Rankine é um ciclo de potência cuja fonte de energia provém da queima de um combustível em uma caldeira ÇENGEL BOLES 2013 A exergia X é uma medida capaz de quantificar essa intuição pois representa o máximo trabalho teórico que se pode obter de um sistema ao leválo até a condição de equilíbrio com o ambiente por meio de interações térmicas e de troca de espécies químicas com o ambiente À medida que decorrem processos irreversíveis e geração de entropia a possibilidade de realizar trabalho diminui dessa forma uma parcela da exergia é destruída ALMEIDA 2011 No regime permanente a destruição da exergia pode ser definida pela equação a seguir ÇENGEL BOLES 2013 na forma de taxa kW para um sistema com escoamento em regime permanente 10 onde Tf ent e Tf sai são as temperaturas de fronteira do sistema Ciclos de potências a vapor e combinados 13 A exergia também pode ser expressa em unidade de massa kJkg Essa fórmula leva em consideração que a destruição da exergia durante um ciclo é dependente da magnitude de transferência de calor com os reservatórios de altas e baixas temperaturas e as temperaturas desses reservatórios 11 A maior destruição de exergia do ciclo ocorre no processo de fornecimento de calor Dessa forma a redução da destruição da exergia deve começar por esse processo Uma forma de reduzir a destruição da exergia é por meio do aumento da temperatura do vapor na entrada da turbina provocando a redução da diferença de temperatura A exergia fornecida é definida como a exergia contida no vapor da caldeira e na entrada da bomba Já a exergia recuperada corresponde ao potencial de saída da turbina ÇENGEL BOLES 2013 Dessa forma a eficiência do ciclo de potência pode ser calculada com base na segunda lei como sendo a relação entre a exergia recuperada e a exergia fornecida conforme descrito a seguir 12 Funcionamento dos ciclos combinados gásvapor O ciclo combinado gásvapor corresponde a um ciclo de potência a gás no topo de um ciclo de potência a vapor Esse ciclo apresenta eficiência térmica superior à dos outros ciclos executados individualmente ÇENGEL BOLES 2013 O ciclo combinado de maior interesse é constituído por um ciclo de turbina a gás Brayton no topo de um ciclo de turbina a vapor Rankine Esses ciclos operam a temperaturas mais altas que os ciclos a vapor de água Por esse motivo o ciclo da turbina a gás tem maior potência para eficiências térmicas altas sendo recomendado o uso dos gases quentes de exaustão da turbina como fonte de energia para o ciclo inferior como um ciclo de potência a vapor conforme apresentado na Figura 6 ÇENGEL BOLES 2013 Ciclos de potências a vapor e combinados 14 Figura 6 Usina de potência combinada gásvapor Fonte Çengel e Boles 2013 p587 No ciclo combinado gásvapor a energia recuperada dos gases de exaustão é transferida para o vapor em um trocador de calor que funciona como uma caldeira Normalmente é necessária mais de uma turbina a gás para fornecer calor ao vapor O ciclo de potência a vapor pode envolver tanto regeneração como reaquecimento e a energia para o processo de reaquecimento pode ser fornecida pela queima adicional de algum combustível proveniente dos gases de exaustão que são ricos em oxigênio As termoelétricas podem ser de ciclo simples ou de ciclo combinado No ciclo combinado utilizase a temperatura do combustível para aquecer a água e produzir o vapor de forma simultânea à produção de energia elétrica BORGES NETO CARVALHO 2012 Dessa forma a instalação de um sistema de cogeração de energia permite à termoelétrica gerar energia térmica energia elétrica e vapor Ciclos de potências a vapor e combinados 15 Conforme evidenciado pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL 2008 o gás aquecido é descartado no ciclo simples Porém o ciclo combinado permite o aproveitamento desse gás para gerar energia térmica e aquecer o vapor reduzindo o consumo de energia e contribuindo para a diversificação da matriz energética nacional o que é imprescindível para reduzir o risco de uma escassez de energia no país A cogeração de energia é definida pela ANEEL 2006 como um processo operado em uma instalação específica para fins de produção combinada das utilidades calor e energia mecânica Esta geralmente é convertida total ou parcialmente em energia elétrica a partir da energia disponibilizada por uma fonte primária A cogeração de energia proporciona algumas vantagens veja a seguir algumas delas 1 Uso da energia que se perderia em um processo de geração de eletri cidade nas termelétricas 2 Completa independência em relação ao suprimento de energia forne cido por terceiros na distribuição e comercialização de energia elétrica 3 Diminuição do volume de gases lançados na atmosfera 4 Redução do custo de produção de energias Referências ALMEIDA A F Análise exergética dos ciclos Rankine e combinado com gaseificação integrada operados a carvão mineral 2011 Dissertação Mestrado em Engenharia Mecânica Programa de PósGraduação em Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2011 ANEEL Atlas de energia elétrica do Brasil 3 ed Brasília Aneel 2008 ANEEL Resolução Normativa nº 235 de 14 de novembro de 2006 Estabelece os requisi tos para a qualificação de centrais termelétricas cogeradoras de energia e dá outras providências Brasília Aneel 2006 Disponível em httpwww2aneelgovbrcedoc ren2006235pdf Acesso em 16 set 2020 BORGES NETO M R CARVALHO P Geração de energia elétrica fundamentos São Paulo Érica 2012 ÇENGEL Y A BOLES M A Termodinâmica 7 ed Porto Alegre AMGH 2013 FERNANDES F A N PIZZO S N MORAES JR D Termodinâmica química S l s n 2006 Disponível em httpwwwequfcbrMDTermodinamicapdf Acesso em 16 set 2020 Ciclos de potências a vapor e combinados 16 Leituras recomendadas POTTER M C SOMERTON C W Termodinâmica para engenheiros 3 ed Porto Alegre Bookman 2017 Coleção Schaum SILVA D B T V et al Avaliação termodinâmica na cogeração de energia nas indústrias sucroalcooleira Revista Brasileira de Gestão Ambiental Pombal v 13 n 3 p 16 2019 Disponível em httpseditoraverdeorggvaacombrrevistaindexphpRBGAarticle view67676231 Acesso em 16 set 2020 Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados e seu funcionamento foi comprovado no momento da publicação do material No entanto a rede é extremamente dinâmica suas páginas estão constantemente mudando de local e conteúdo Assim os editores declaram não ter qualquer responsabilidade sobre qualidade precisão ou integralidade das informações referidas em tais links Ciclos de potências a vapor e combinados 17