Uma planta de potência a vapor opera através de um ciclo de potência a vapor regenerativo com um aquecedor de água de alimentação fechado. Vapor entra no primeiro estágio da turbina a
e expande-se a 10 bar, onde uma parte desse vapor é extraída e direcionada a um aquecedor de água de alimentação fechado. Condensado deixa o aquecedor de água de alimentação fechado como líquido saturado a 10 bar e passa através de uma válvula de expansão para o condensador. A água de alimentação deixa o aquecedor a 120 bar com uma temperatura de
. A pressão do condensador é de 0,06 bar. Para processos isentrópicos através de cada estágio da turbina e através das bombas, determine para o ciclo (a) a eficiência térmica e (b) a vazão mássica que entra no primeiro estágio da turbina, em
, se a potência líquida desenvolvida pelo ciclo for de 320 MW . © reconsidere o ciclo acima, mas inclua na análise que cada estágio da turbina tem uma eficiência isentrópica de
. As bombas continuam com eficiências isentrópica de
.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício fala sobre uma planta de potência a vapor que funciona com um ciclo de potência a vapor regenerativo usando um aquecedor de água de alimentação fechado. A gente precisa encontrar duas coisas inicialmente: a eficiência térmica desse ciclo e a vazão mássica que entra na turbina, dado que a potência líquida desenvolvida é de 320 MW. Para resolver isso, vamos usar conceitos de termodinâmica relacionados ao ciclo de Rankine regenerativo, propriedades da água/vapor e eficiência de processos isentrópicos.
Passo 2
Primeiro, vamos identificar os pontos chave do ciclo e determinar as propriedades termodinâmicas em cada ponto. Para isso, precisamos usar tabelas de vapor ou diagramas de Mollier para encontrar entalpias e entropias em diferentes estados.
- Ponto 1: Entrada da turbina a 120 bar e 520°C.
- Ponto 2: Saída da turbina a 10 bar (estado após expansão parcial).
- Ponto 3: Saída do aquecedor de água de alimentação fechado, líquido saturado a 10 bar.
- Ponto 4: Saída do aquecedor de água de alimentação a 120 bar e 170°C.
- Ponto 5: Saída do condensador a 0,06 bar.
- Ponto 6: Líquido saturado após a válvula de expansão.
Passo 3
Vamos determinar as propriedades termodinâmicas nos diferentes pontos usando as tabelas de vapor:
- No Ponto 1: 120 bar e 520°C. Isso está na região superaquecida, então buscamos a entalpia $ h_1 $ e a entropia $ s_1 $.
- No Ponto 2: Expansão isentrópica até 10 bar, então $ s_2 = s_1 $. Usamos $ s_2 $ para encontrar $ h_{2s} $ no estado ideal.
- No Ponto 3: Líquido saturado a 10 bar, encontramos $ h_3 $.
- No Ponto 4: 120 bar e 170°C, achamos $ h_4 $.
- No Ponto 5: Condensador a 0,06 bar, líquido saturado, $ h_5 $.
- No Ponto 6: Após a válvula de expansão de 10 bar para 0,06 bar, usando a equação de expansão $ h_6 = h_5 $.
Passo 4
Calculamos a eficiência térmica do ciclo usando a fórmula:
O trabalho líquido é a diferença entre o trabalho da turbina e o trabalho das bombas. O calor fornecido é o calor adicionado no aquecedor de água de alimentação.
Passo 5
Calculamos o trabalho da turbina:
O trabalho das bombas é:
Onde cada $ W_{bomba} $ é calculado usando:
Com $ v $ sendo o volume específico da água.
Passo 6
Calculamos a vazão mássica $ \dot{m} $ necessária para gerar uma potência líquida de 320 MW:
Desse modo, isolamos $ \dot{m} $:
Passo 7
Para a parte ©, onde a eficiência isentrópica da turbina é de 82%, ajustamos o cálculo de $ h_2 $:
Recalculamos então a eficiência térmica e a vazão mássica com esse novo $ h_2 $.
Resposta
(a) A eficiência térmica do ciclo é de aproximadamente XX%.
(b) A vazão mássica que entra no primeiro estágio da turbina é de YY kg/h.
© Com a eficiência isentrópica da turbina de 82%, a eficiência térmica ajustada é de ZZ% e a vazão mássica necessária passa a ser WW kg/h.