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O que é coeficiente de perda de pressão – CLP – Definição

Os engenheiros também usam o coeficiente de perda de pressão, CLP. Este coeficiente caracteriza a perda de pressão de um determinado sistema hidráulico ou de uma parte de um sistema hidráulico. Engenharia Térmica

Menor Perda de Cabeça – Perdas Locais

Na indústria, qualquer sistema de tubulação contém diferentes elementos tecnológicos como dobras, conexões, válvulas ou canais aquecidos . Esses componentes adicionais aumentam a perda de carga geral do sistema. Tais perdas são geralmente denominadas perdas menores , embora geralmente representem uma parte importante da perda de carga . Para sistemas de tubulação relativamente curtos, com um número relativamente grande de dobras e conexões, pequenas perdas podem facilmente exceder grandes perdas (especialmente com uma válvula parcialmente fechada que pode causar uma maior perda de pressão do que um tubo longo, na verdade quando uma válvula é fechada ou fechada). quase fechada, a perda menor é infinita).

As perdas menores são comumente medidas experimentalmente. Os dados, especialmente para válvulas, dependem um pouco do projeto do fabricante.

Como o atrito do tubo, as perdas menores são proporcionalmente ao quadrado da vazão e, portanto, podem ser facilmente integradas à equação de Darcy-Weisbach . K é a soma de todos os coeficientes de perda no comprimento do tubo, cada um contribuindo para a perda de carga geral.perda de cabeça menor - equação

Existem vários métodos para calcular a perda de carga de conexões, dobras e cotovelos. Na seção a seguir, esses métodos são resumidos na ordem do mais simples ao mais sofisticado.

Coeficiente de perda de pressão – PLC

Às vezes, os engenheiros usam o coeficiente de perda de pressão , CLP . Nota-se K ou ξ (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza a perda de pressão de um determinado sistema hidráulico ou de uma parte de um sistema hidráulico. Pode ser facilmente medido em loops hidráulicos. O coeficiente de perda de pressão pode ser definido ou medido para tubos retos e especialmente para perdas locais (menores) .

CLP - Coeficiente de perda de pressão - equações

Resumo:

  • A perda de carga do sistema hidráulico é dividida em duas categorias principais :
  • Uma forma especial da equação de Darcy pode ser usada para calcular pequenas perdas .
  • As perdas menores são aproximadamente proporcional ao quadrado da taxa de fluxo e, portanto, eles podem ser facilmente integrados na equação de Darcy-Weisbach através de coeficiente de resistência K .
  • Como uma perda de pressão local, a aceleração do fluido em um canal aquecido também pode ser considerada.

Existem os seguintes métodos:

Por que a perda de cabeça é muito importante?

Como pode ser visto na figura, a perda de carga é a principal característica de qualquer sistema hidráulico. Nos sistemas em que uma certa vazão deve ser mantida (por exemplo, para fornecer refrigeração ou transferência de calor suficiente a partir do núcleo do reator ), o equilíbrio da perda de carga e da  carga adicionada por uma bomba determina a vazão através do sistema.

Diagrama característico de QH da bomba centrífuga e do gasoduto
Diagrama característico de QH da bomba centrífuga e do gasoduto

Exemplo - coeficiente de perda de pressão

Queda de pressão – Montagem de combustível

Em geral, a queda de pressão total do conjunto de combustível é formada pela queda de atrito do feixe de combustível (dependente da rugosidade relativa das barras de combustível, número de reynolds , diâmetro hidráulico etc.) e outras quedas de pressão dos elementos estruturais (bico superior e inferior, grades espaçadoras ou grades de mistura) )

Em geral, não é tão simples calcular quedas de pressão em conjuntos de combustível (especialmente as grades espaçadoras) e isso pertence ao conhecimento essencial de determinado fabricante de combustível. Principalmente, as quedas de pressão são medidas em laços hidráulicos experimentais , em vez de calculadas.

Os engenheiros usam o coeficiente de perda de pressão , CLP . Nota-se K ou ξ  (pronunciado “xi”). Este coeficiente caracteriza a perda de pressão de um determinado sistema hidráulico ou de uma parte de um sistema hidráulico. Pode ser facilmente medido em loops hidráulicos. O coeficiente de perda de pressão pode ser definido ou medido para tubos retos e especialmente para perdas locais (menores) .

CLP - Coeficiente de perda de pressão - equações

Usando os dados do exemplo acima mencionado, o coeficiente de perda de pressão (apenas por atrito do tubo reto) é igual a ξ = f D L / D H = 4.9 . Mas o coeficiente geral de perda de pressão (incluindo grades espaçadoras, bocais superior e inferior etc.) é geralmente cerca de três vezes maior. Este PLC ( ξ = 4,9 ) faz com que a queda de pressão é da ordem de (usando as entradas anteriores) Ap atrito = 4,9 x 714 x 5 2 /2 = 43,7 kPa (sem grelhas de espaçamento, de topo e bocais inferiores). O CLP real cerca de três vezes maior significa que o combustível  Δp cerca de três vezes maior será.

A perda de pressão geral do reator, reator Δp , deve incluir:

  • descendente e fundo do reator
  • placa de suporte inferior
  • conjunto de combustível, incluindo grades espaçadoras, bocais superior e inferior e outros componentes estruturais –  Δp fuel
  • montagem da estrutura da guia superior

Como resultado, a perda de pressão total do reator –  Δp do reator é geralmente da ordem de centenas de kPa (digamos 300 – 400 kPa) para parâmetros de projeto.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é exemplo de ciclo de Rankine – problema com solução – definição

Exemplo de Ciclo de Rankine – Problema com Solução. Vamos assumir o ciclo de Rankine. Calcule principais analistas, como a qualidade do vapor, as diferenças de entalpia e a eficiência térmica. Engenharia Térmica

Exemplo de ciclo Rankine – problema com solução

Ciclo RankineVamos assumir o ciclo Rankine , que é um dos ciclos termodinâmicos mais comuns em usinas termelétricas. Nesse caso, assuma um ciclo simples, sem reaquecimento e sem a turbina a vapor de condensação funcionando com vapor saturado  (vapor seco). Nesse caso, a turbina opera em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 ° C, x = 1 (ponto 3). O vapor sai deste estágio da turbina a uma pressão de 0,008 MPa, 41,5 ° C e x = ??? (ponto 4)

Calcular:

  1. a qualidade do vapor do vapor de saída
  2. a diferença de entalpia entre estes dois estados (3 → 4), a qual corresponde ao trabalho realizado pelo vapor, W t .
  3. a diferença de entalpia entre estes dois estados (1 → 2), que corresponde ao trabalho feito por bombas, W P .
  4. a diferença de entalpia entre esses dois estados (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor
  5. a eficiência termodinâmica deste ciclo e compare esse valor com a eficiência de Carnot

1)

Como não sabemos a qualidade exata do vapor de saída, precisamos determinar esse parâmetro. O estado 4 é fixado pela pressão p 4 = 0,008 MPa e o fato de que a entropia específica é constante para a expansão isentrópica (s 3 = s 4 = 5,89 kJ / kgK para 6 MPa ). A entropia específica de água líquida saturada (x = 0) e vapor seco (x = 1) pode ser escolhida nas tabelas de vapor . No caso de vapor úmido, a entropia real pode ser calculada com a qualidade do vapor, x, e as entropias específicas de água líquida saturada e vapor seco:

s 4 = s v x + (1 – x) s l

Onde

s 4 = entropia de vapor úmido (J / kg K) = 5,89 kJ / kgK

s v = entropia do vapor “seco” (J / kg K) = 8,227 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

s l = entropia de água líquida saturada (J / kg K) = 0,592 kJ / kgK (para 0,008 MPa)

A partir desta equação, a qualidade do vapor é:

x 4 = ( s 4 – s l ) / ( s v – s l ) = (5,89 – 0,592) / (8,227 – 0,592) = 0,694 = 69,4%

2)

A entalpia para o estado 3 pode ser coletada diretamente das tabelas de vapor, enquanto a entalpia para o estado 4 deve ser calculada usando a qualidade do vapor:

h 3, v = 2785 kJ / kg

h 4, molhado = h 4, v x + (1 – x) h 4, l  = 2576. 0,694 + (1 – 0,694). 174 = 1787 + 53,2 = 1840 kJ / kg

Então o trabalho realizado pelo vapor, W T, é

W T = Δh = 945 kJ / kg

3)

A entalpia para o estado 1 pode ser obtida diretamente das tabelas de vapor:

h 1, l = 174 kJ / kg

O estado 2 é fixado pela pressão p 2 = 6,0 MPa e pelo fato de a entropia específica ser constante para a compressão isentrópica (s 1 = s 2 = 0,592 kJ / kgK para 0,008 MPa ). Para esta entropia s 2 = 0,592 kJ / kgK ep 2 = 6,0 MPa, encontramos h 2, sub-resfriado em tabelas de vapor para água comprimida (usando interpolação entre dois estados).

h 2, sub-resfriado = 179,7 kJ / kg

Então, o trabalho realizado pelas bombas, W P, é

W P = Δh = 5,7 kJ / kg

4)

A diferença de entalpia entre (2 → 3), que corresponde ao calor líquido adicionado no gerador de vapor, é simplesmente:

Q add = h 3, v  – h 2, sub-resfriado = 2785 – 179,7 =   2605,3 kJ / kg

Observe que, não há regeneração de calor neste ciclo. Por outro lado, a maior parte do calor adicionado é para a entalpia da vaporização (isto é, para a mudança de fase).

5)

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de água de alimentação constituem um motor térmico, sujeito às limitações de eficiência impostas pela segunda lei da termodinâmica . No caso ideal (sem atrito, processos reversíveis, design perfeito), este motor térmico teria uma eficiência de Carnot de

η Carnot = 1 – T frio / T quente = 1 – 315/549 = 42,6%

onde a temperatura do reservatório quente é de 275,6 ° C (548,7 K), a temperatura do reservatório frio é de 41,5 ° C (314,7 K).

A eficiência termodinâmica deste ciclo pode ser calculada pela seguinte fórmula:

Ciclo de Rankine - exemplo - eficiência térmica

assim
η th = (945 – 5,7) / 2605,3 = 0,361 = 36,1%

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O que é o ciclo de classificação supercrítica – Definição

As usinas termelétricas são projetadas atualmente para operar no ciclo supercrítico de Rankine. O ciclo Rankine supercrítico também é o ciclo termodinâmico de reatores supercríticos de água. Engenharia Térmica

Melhoria da eficiência térmica – Ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são:

 

Ciclo Rankine supercrítico

Ciclo de Rankine - ciclo supercrítico
ciclo Rankine supercrítico

Como foi discutido, a eficiência térmica pode ser melhorada “simplesmente” por um aumento na temperatura do vapor que entra na turbina. Mas essa temperatura é restringida por limitações metalúrgicas impostas pelos materiais e design do vaso de pressão do reator e da tubulação primária. O vaso do reator e a tubulação primária devem suportar altas pressões e grandes tensões a temperaturas elevadas. Atualmente, porém, materiais e métodos aprimorados de fabricação têm permitido aumentos significativos nas pressões máximas, com aumentos correspondentes na eficiência térmica. As usinas termelétricas são projetadas atualmente para operar no ciclo Rankine supercrítico (ou seja, com pressões de vapor excedendo a pressão crítica da água22,1 MPa e temperaturas de entrada da turbina superiores a 600 ° C). As usinas supercríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão supercrítica , têm eficiências em torno de 43% . As usinas a carvão mais eficientes e também muito complexas que são operadas sob pressões “ultra-críticas” (ou seja, cerca de 30 MPa) e usam reaquecimento em vários estágios atingem cerca de 48% de eficiência.

Reator Supercrítico de Água – SCWR

Características dos SCWRs
Propriedades típicas do líquido de arrefecimento no SCWR.

O ciclo Rankine supercrítico também é o ciclo termodinâmico dos reatores supercríticos de água. O reator de água supercrítico (SCWR) é um conceito de reator de geração IV, que é operado a pressão supercrítica (ou seja, superior a 22,1 MPa). O termo supercrítico neste contexto refere-se ao ponto crítico termodinâmico da água (T CR = 374 ° C; p CR = 22,1 MPa), e não deve ser confundido com a criticidade do núcleo do reator , que descreve as mudanças na população de nêutrons da o núcleo do reator .

Para SCWRs um ciclo de uma vez por meio de vapor tem sido previsto, omitindo qualquer recirculação do líquido de arrefecimento no interior do reactor. É semelhante ao dos reatores de água fervente , o vapor será fornecido diretamente à turbina a vapor e a água de alimentação do ciclo de vapor será fornecida de volta ao núcleo.

Assim como o reator de água supercrítico pode usar água leve ou água pesada como moderador de nêutrons . Como pode ser visto, existem muitos projetos de SCWR, mas todos os SCWRs têm uma característica fundamental, que é o uso de água além do ponto crítico termodinâmico como refrigerante primário. Como esse recurso permite aumentar a temperatura de pico , os reatores supercríticos de água são considerados um avanço promissor para as usinas nucleares devido à sua alta eficiência térmica (~ 45% vs. ~ 33% para as LWRs atuais).

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O que é a regeneração de calor – Ciclo Rankine – Definição

Esse processo é conhecido como regeneração de calor e uma variedade de regeneradores de calor pode ser usada para essa finalidade. Às vezes, os engenheiros usam o termo economizador. Engenharia Térmica

Melhoria da eficiência térmica – Ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são:

 

Regeneração de calor

Ciclo de Rankine - diagrama de Ts
Ciclo de Rankine – diagrama de Ts

Aumentos significativos na eficiência térmica das usinas de turbinas a vapor podem ser alcançados através da redução da quantidade de combustível que deve ser adicionada à caldeira. Isso pode ser feito transferindo o calor (vapor parcialmente expandido) de determinadas seções da turbina a vapor, que normalmente está bem acima da temperatura ambiente, para a água de alimentação. Esse processo é conhecido como regeneração de calor e uma variedade de regeneradores de calor pode ser usada para essa finalidade. Às vezes, os engenheiros usam o termo economizador que são trocadores de calor com o objetivo de reduzir o consumo de energia, especialmente em caso de pré-aquecimento de um fluido .

Como pode ser visto no artigo ” Gerador de vapor “, a água de alimentação (circuito secundário) na entrada do gerador de vapor pode ter cerca de ~ 230 ° C (446 ° F) e depois é aquecida até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) e evaporado. Mas o condensado na saída do condensador pode ter cerca de 40 ° C , portanto a regeneração de calor na PWR típica é significativa e muito importante:

  • A regeneração de calor aumenta a eficiência térmica, uma vez que mais do fluxo de calor no ciclo ocorre em temperaturas mais altas.
  • A regeneração de calor causa uma diminuição na taxa de fluxo de massa através do estágio de baixa pressão da turbina a vapor, aumentando assim a eficiência da turbina isentrópica LP. Observe que, no último estágio de expansão, o vapor tem um volume específico muito alto.
  • A regeneração de calor causa um aumento na qualidade do vapor de trabalho, uma vez que os drenos estão situados na periferia da carcaça da turbina, onde há maior concentração de gotículas de água.

Regeneração vs. Recuperação de Calor

Em geral, os trocadores de calor usados ​​na regeneração podem ser classificados como regeneradores ou recuperadores .

  • O regenerador  é um tipo de trocador de calor em que o calor do fluido quente é armazenado intermitentemente em um meio de armazenamento térmico antes de ser transferido para o fluido frio. Possui um único caminho de fluxo no qual os fluidos quente e frio passam alternadamente.
  • O Recuperador é um tipo de trocador de calor que possui caminhos de fluxo separados para cada fluido ao longo de suas próprias passagens e o calor é transferido através das paredes de separação. Os recuperadores (por exemplo, economizadores) são frequentemente usados ​​em engenharia de energia, para aumentar a eficiência geral dos ciclos termodinâmicos. Por exemplo, em um motor de turbina a gás. O recuperador transfere parte do calor residual no escapamento para o ar comprimido, pré-aquecendo-o antes de entrar na câmara de combustão. Muitos recuperators são projetados como trocadores de calor de contrafluxo .

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O que é superaquecimento e reaquecimento – Ciclo Rankine – Definição

Uma das maneiras possíveis de aumentar a eficiência térmica é superaquecer ou reaquecer o vapor de trabalho. Para esse fim, deve-se usar superaquecedor ou reaquecedor. Engenharia Térmica

Melhoria da eficiência térmica – Ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são:

 

Superaquecimento e reaquecimento

superaquecido-vapor-minQuanto ao ciclo de Carnot, a eficiência térmica tende a aumentar à medida que a temperatura média na qual a energia é adicionada pela transferência de calor aumenta. Essa é a característica comum de todos os ciclos termodinâmicos.

Uma das maneiras possíveis é superaquecer ou reaquecer o vapor de trabalho. Ambos os processos são muito semelhantes em sua maneira:

  • Superaquecedor – aumenta a temperatura do vapor acima da temperatura de saturação
  • Reaquecedor – remove a umidade e aumenta a temperatura do vapor após uma expansão parcial.

O processo de superaquecimento é a única maneira de aumentar a temperatura de pico do ciclo Rankine (e aumentar a eficiência) sem aumentar a pressão da caldeira. Isso requer a adição de outro tipo de trocador de calor chamado superaquecedor , que produz o vapor superaquecido .

Ciclo Rankine - superaquecimento - superaquecedor
Ciclo Rankine com superaquecimento do estágio de alta pressão. Isso requer temperatura mais alta no gerador de vapor.

Vapor superaquecido ou vapor superaquecido é um vapor a uma temperatura superior ao seu ponto de ebulição à pressão absoluta em que a temperatura é medida.

O reaquecimento permite fornecer mais calor a uma temperatura próxima ao pico do ciclo. Isso requer a adição de outro tipo de trocador de calor chamado reaquecedor . O uso do reaquecedor envolve a divisão da turbina, ou seja, o uso de uma turbina de vários estágios com um reaquecedor. Observou-se que mais de duas etapas de reaquecimento são desnecessárias, uma vez que a próxima etapa aumenta a eficiência do ciclo apenas pela metade da etapa anterior.

Os estágios de alta pressão e baixa pressão da turbina geralmente estão no mesmo eixo para acionar um gerador comum, mas eles têm casos separados. Com um reaquecedor , o fluxo é extraído após uma expansão parcial (ponto D), volta ao trocador de calor para aquecê-lo até a temperatura máxima (ponto E) e depois é passado para a turbina de baixa pressão. A expansão é então concluída na turbina de baixa pressão do ponto E ao ponto F.

Ciclo de Rankine - reaquecimento - superaquecimento
Ciclo Rankine com reaquecimento e superaquecimento no estágio de baixa pressão

No superaquecedor , o aquecimento adicional a pressão fixa resulta em aumentos de temperatura e volume específico. O processo de superaquecimento do vapor de água no diagrama Ts é fornecido na figura entre o estado E e a curva de vapor de saturação. Como pode ser visto também as turbinas a vapor úmidas (por exemplo, usadas em usinas nucleares) usam vapor superaquecido, especialmente na entrada de estágios de baixa pressão. Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas de vapor úmido de condensação de vários estágios(o estágio de alta pressão funciona com vapor saturado). Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D). O vapor deve ser reaquecido ou superaquecidopara evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O alto teor de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e, como pode ser visto na imagem, o vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%, mas é uma qualidade de vapor muito maior, do que seria sem reaquecimento. Consequentemente, o superaquecimento também tende a aliviar o problema da baixa qualidade do vapor no escapamento da turbina.

Como a temperatura do líquido de arrefecimento primário é limitada pela pressão no interior do reator, os superaquecedores (exceto um aquecedor separador de umidade) não são utilizados nas usinas nucleares e operam normalmente uma única turbina a vapor úmida.

 

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O que é pressão da caldeira e do condensador – Ciclo Rankine – Definição

Pressões de caldeira e condensador. A eficiência térmica da turbina a vapor tende a aumentar à medida que a pressão média do vapor aumenta e / ou a pressão do condensador diminui. Engenharia Térmica

Melhoria da eficiência térmica – Ciclo Rankine

Existem vários métodos, como pode ser melhorada a eficiência térmica do ciclo Rankine. Assumindo que a temperatura máxima seja limitada pela pressão dentro do vaso de pressão do reator, esses métodos são:

 

Pressões de caldeira e condensador

Como no ciclo de Carnot , Otto e Brayton , a eficiência térmica tende a aumentar à medida que a temperatura média na qual a energia é adicionada pela transferência de calor aumenta e / ou a temperatura média na qual a energia é rejeitada diminui. Essa é a característica comum de todos os ciclos termodinâmicos.

Pressão do condensador

Ciclo Rankine - pressão do condensador
Diminuir a pressão de escape da turbina aumenta o trabalho líquido por ciclo, mas também diminui a qualidade do vapor de saída.

O caso da diminuição da temperatura média na qual a energia é rejeitada exige uma diminuição da pressão no interior do condensador (isto é, a diminuição da temperatura de saturação ). A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (ou seja, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em turbinas a vapor úmidas típicas, o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se origina do tamanho finito e da eficiência dos condensadores.

Parâmetros típicos em um condensador de turbinas de condensação
Parâmetros típicos em um condensador de turbinas de condensação

Pressão da caldeira

Ciclo Rankine - pressão da caldeira
Um aumento na pressão da caldeira é, no resultado, limitado pelo material do vaso de pressão do reator.

O caso do aumento da temperatura média na qual a energia é adicionada por transferência de calor requer um superaquecimento do vapor produzido ou um aumento da pressão na caldeira (gerador de vapor). O superaquecimento não é típico para usinas nucleares.

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é vapor quase saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C). Como nem o gerador de vapor é 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento primário.

Gerador de vapor - trocador de calor de contrafluxo
Gradientes de temperatura no gerador de vapor PWR típico.

Em um reator de água pressurizada típico, o líquido de arrefecimento primário quente ( água 330 ° C; 626 ° F ) é bombeado para o gerador de vapor através da entrada primária. Isso requer manutenção de pressões muito altas para manter a água no estado líquido. Para impedir a ebulição do líquido de arrefecimento primário e fornecer uma margem de sub-resfriamento (a diferença entre a temperatura do pressurizador e a temperatura mais alta no núcleo do reator), pressões em torno de 16 MPa são típicas para PWRs . O vaso de pressão do reator é o componente principal, que limita a eficiência térmica de cada usina nuclear, uma vez que o vaso do reator deve suportar altas pressões.

Parâmetros típicos na entrada de turbinas de condensação de PWRs.
Parâmetros típicos na entrada de turbinas de condensação de PWRs.

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O que é o Condensador Principal – Condensador a Vapor – Definição

Condensador Principal – Condensador a Vapor. O sistema principal do condensador de vapor (MC) foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de desvio da turbina. Engenharia Térmica

Condensador Principal – Condensador a Vapor

Condensador - Aquecedores de LP - DesaeradorO sistema principal do condensador de vapor (MC) foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de desvio da turbina. O vapor exaurido das turbinas de LP é condensado passando sobre tubos contendo água do sistema de resfriamento. Existe uma unidade condensadora principal sob cada turbina LP , geralmente abaixo da turbina com seu eixo perpendicular ao eixo da turbina. Como usinas de energia nuclear geralmente também contêm um condensador auxiliar (por exemplo, para condensar o vapor de bombas de água de alimentação movidas a vapor), os engenheiros usam o termo ” condensador principal “.

Condensador de superfície Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0
Condensador de superfície

A pressão no interior do condensador é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, a temperatura da água no sistema de refrigeração) e por ejetores de vapor ou bombas de vácuo, que puxam os gases (não condensáveis) do condensador de superfície e os expulsam para a atmosfera. A pressão dentro do condensador determina a potência total do sistema de conversão de energia. Usinas termelétricas geralmente são equipadas com os chamados ” condensadores de superfície “.

O vapor condensado (agora denominado condensado ) é coletado na câmara quente do condensador. A câmara quente do condensador também fornece uma capacidade de armazenamento de água, necessária para fins operacionais, como a composição da água de alimentação. O condensado (líquido saturado ou ligeiramente sub-resfriado) é entregue à bomba de condensado e depois bombeado por bombas de condensado para o desaerador através do sistema de aquecimento de água de alimentação . As bombas de condensado aumentam a pressão normalmente para cerca de p = 1-2 MPa. Normalmente, existem quatro bombas de condensado centrífugas com um terço da capacidade com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Normalmente, três bombas estão em operação e uma no backup.

 

Parâmetros do Condensador Principal

O condensador deve manter um baixo vácuo suficiente para aumentar a eficiência da usina. As bombas de vácuo mantêm um vácuo suficiente no condensador, extraindo ar e gases não condensados. A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se originam do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento . Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

Ciclo Rankine - pressão do condensador
Diminuir a pressão de escape da turbina aumenta o trabalho líquido por ciclo, mas também diminui a qualidade do vapor de saída.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

  • temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
  • temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Para manter os parâmetros no interior do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a água  de resfriamento do sistema de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre o temperador da água de saída e de entrada, portanto a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alto. A vazão do sistema de resfriamento (com torres de resfriamento úmidas) pode ser de até 100 000 m 3 / h (27,7 m 3 / s). A água de entrada do condensador pode ter cerca de 22 ° C (dependendo fortemente das condições ambientais), enquanto a saída do condensador pode ter cerca de 25 ° C. Os sistemas de refrigeração da água do mar operam com vazões mais altas, por exemplo, 130 000 m 3 / h.

Tipos de condensadores de vapor

Os condensadores de vapor são amplamente classificados em dois tipos:

  • Condensadores de superfície (ou condensadores do tipo sem mistura). Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.
  • Condensadores a jato (ou condensadores do tipo mistura). Nos condensadores a jato, há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento.

Condensador de superfície

O condensador de superfície foi projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de bypass da turbina. Nos condensadores de superfície, não há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O vapor exaurido das turbinas de LP é condensado passando sobre tubos contendo água do sistema de resfriamento . O vapor condensa quando entra em contato com a superfície fria dos tubos e devido à transferência de calor para a água de resfriamento por condução e convecção. Esses tubos geralmente são feitos de aço inoxidável, ligas de cobre ou titânio, dependendo de vários critérios de seleção (como condutividade térmica ou resistência à corrosão).  Tubos de condensador de titâniogeralmente são a melhor opção técnica, porém o titânio é um material muito caro e o uso de tubos de condensador de titânio está associado a custos iniciais muito altos. Em geral, existem dois tipos de condensadores de superfície:

  • condensador de superfície resfriado a água
  • condensador de superfície resfriado a ar

Em usinas termelétricas, onde a água de resfriamento é escassa, pode ser usado um condensador resfriado a ar. No entanto, um condensador resfriado a ar é significativamente mais caro e não pode atingir uma pressão (e temperatura) de exaustão de turbina a vapor tão baixa quanto um condensador de superfície resfriado a água.

A água é aquecida no condensador e é descarregada no sistema de resfriamento (por exemplo, torre de resfriamento, rio, mar ou lago de resfriamento). O condensado coletado desses condensadores é reutilizado como água de alimentação na caldeira. Como a água de resfriamento e o vapor não se misturam, o condensado é recuperado e qualquer tipo de água de resfriamento pode ser usado. Em comparação com os condensadores a jato, nos condensadores de superfície é possível manter um alto vácuo, portanto, é possível obter maior eficiência térmica. Por outro lado, os condensadores de superfície são volumosos, exigem grande área e altos custos de capital. Mas esses custos de capital podem ser recuperados pela maior eficiência térmica (ou seja, maior), economia no custo de operação.

Assim, esses condensadores são mais adequados para usinas termelétricas modernas. Estes são geralmente usados ​​onde uma grande quantidade de água inferior está disponível e melhor qualidade da água de alimentação deve ser fornecida à caldeira.

Condensador a jato

Nos condensadores a jato, a água de resfriamento é pulverizada no vapor de exaustão e há contato direto entre o vapor de exaustão e a água de resfriamento. O processo de condensação é muito rápido e eficiente, mas aqui a água de resfriamento e o vapor condensado são misturados. O condensado não pode ser reutilizado como água de alimentação para as caldeiras. A temperatura do condensado é a mesma da água de resfriamento que sai do condensador. Devido à mistura mais íntima do vapor e do condensador a jato de água de resfriamento, é necessária menos quantidade de água de resfriamento para a condensação do vapor. Em geral, os condensadores a jato requerem menos espaço de construção e são mais simples na construção e menores no custo de capital. Apesar dessas vantagens, os condensadores de jato não são comuns em usinas termelétricas, principalmente devido à perda de condensado .

 

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O que é o Sistema de Desvio de Turbina – Sistema de Despejo de Vapor de Turbina – Definição

O sistema de desvio de turbina (TBS) ou o sistema de descarga de vapor da turbina fornece flexibilidade operacional para que a planta possa aceitar determinadas alterações de carga sem perturbar o NSSS. Engenharia Térmica

Sistema de derivação de turbina – Sistema de descarga de vapor de turbina

O sistema de derivação da turbina (TBS) ou o sistema de descarga de vapor da turbina fornece flexibilidade operacional para que a planta possa aceitar determinadas alterações de carga sem perturbar o sistema de suprimento de vapor nuclear (NSSS). A função do sistema de derivação da turbina é remover o excesso de energia do sistema de refrigeração do reator descarregando uma porcentagem declarada do fluxo nominal de vapor principal diretamente para os condensadores principais , ou seja, ignorando a turbina. Este calor é rejeitado no condensador através das válvulas de descarga de vapor. A capacidade do sistema depende de certos projetos da planta, mas pode ser de cerca de 40 a 50% da produção nominal de vapor. As válvulas de descarga de vapor abrem automaticamente com uma redução repentina na carga do gerador de turbina ou em uma viagem da turbina , o que causa um aumento na pressão do sistema.

De fato, o sistema de desvio de turbina geralmente corrige a pressão do sistema da unidade de conversão de energia. Por exemplo, durante uma redução de carga da turbina (por exemplo, causada por falha de 1/3 das bombas de condensado), o sistema de controle automático do reator não pode reduzir a energia térmica do reator tão rápido quanto a potência da turbina deve diminuir. Sob essas condições, ocorre um desequilíbrio de energia (NSSS / Turbina-Gerador), com potência do reator maior que a carga do sistema secundário (ou seja, mais calor está sendo adicionado ao líquido de arrefecimento do reator do que aquele removido pelo secundário pelos geradores de vapor ). Esse desequilíbrio de energia faz com que a pressão dentro dos geradores de vapor aumente, o que resulta em um aumento na temperatura do líquido de arrefecimento do reator. Como a temperatura de entrada do núcleo é limitada, o sistema de derivação da turbina é projetado para estabelecerequilíbrio entre o circuito primário e o secundário, o que limita esse aumento indesejado de temperatura.

O TBS não é um sistema de segurança , porque não é necessário para um desligamento seguro, pois as válvulas de alívio e segurança são operadas em condições de emergência. O sistema de bypass da turbina não precisa funcionar como um dissipador de calor para a prevenção ou mitigação de acidentes postulados. A falha do TBS durante uma redução de carga ou acionamento da turbina resultaria no acionamento das válvulas de alívio e possivelmente das válvulas de segurança.

Veja também: NUREG-0800, Plano de revisão padrão para a revisão de relatórios de análise de segurança para usinas nucleares: LWR Edition

O sistema de bypass da turbina também é usado no modo de controle de pressão durante a recarga, o aquecimento e a inicialização da planta. Por exemplo, antes de sincronizar o gerador com a rede, o reator deve ser operado no ” modo de energia ” (por exemplo, a 30% da potência nominal), enquanto a produção de vapor é desviada para o condensador. As válvulas de desvio da turbina fecham automaticamente quando o vapor é admitido na turbina.

Sistema de derivação de turbina - esquema
Sistema de derivação de turbina – esquema

 

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O que é Desaerador – Princípio de Operação – Definição

O desaerador é um dispositivo usado para a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos da água de alimentação para os geradores de vapor. O desaerador faz parte do sistema de aquecimento de água de alimentação. Engenharia Térmica

Desaerador

Desaerador
Um diagrama esquemático de um desaerador típico do tipo bandeja. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0

Em geral, um desaerador é um dispositivo usado para a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos da água de alimentação para os geradores de vapor. O desaerador faz parte do sistema de aquecimento de água de alimentação. Geralmente está situado entre o último aquecedor de baixa pressão e as bombas de reforço de água de alimentação. Em particular, o oxigênio dissolvido no gerador de vapor pode causar sérios danos à corrosão, anexando-se às paredes da tubulação de metal e outros equipamentos metálicos e formando óxidos (ferrugem). Além disso, o dióxido de carbono dissolvido combina-se com a água para formar ácido carbônico que causa mais corrosão.

No desaerador , o condensado é aquecido a condições saturadas, geralmente pelo vapor extraído da turbina a vapor. O vapor de extração é misturado no desaerador por um sistema de bicos de pulverização e bandejas em cascata entre as quais o vapor penetra. Quaisquer gases dissolvidos no condensado são liberados nesse processo e removidos do desaerador por ventilação para a atmosfera ou para o condensador principal. Diretamente abaixo do desaerador está o tanque de armazenamento de água de alimentação, em que uma grande quantidade de água de alimentação é armazenada em condições próximas à saturação. No evento de disparo da turbina, essa água de alimentação pode ser fornecida aos geradores de vapor para manter o inventário de água necessário durante o período transitório. O desaerador e o tanque de armazenamento geralmente estão localizados em uma elevação elevada no salão da turbina para garantir uma cabeça de sucção positiva líquida adequada (NPSH) na entrada das bombas de água de alimentação. O NPSH é usado para medir a proximidade de um fluido a condições saturadas. Baixar a pressão no lado da sucção pode induzir cavitação . Esse arranjo minimiza o risco de cavitação na bomba.

Turbina a vapor típica de 3000 MW de PWR
Esquema de uma turbina a vapor de um PWR típico de 3000 MW.

 

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O que é Como funciona uma turbina a vapor – Definição

Como funciona uma turbina a vapor? A maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP de vários estágios paralelos. Engenharia Térmica

Como funciona uma turbina a vapor?

A energia térmica contida no vapor é convertida em energia mecânica pela expansão através da turbina . A expansão ocorre através de uma série de pás fixas (bicos), que orientam o fluxo de vapor em jatos de alta velocidade . Esses jatos contêm energia cinética significativa, que é convertida em rotação do eixo pelas pás do rotor em forma de balde, conforme o jato de vapor muda de direção  (consulte: Lei da conversação do momento ). O jato de vapor, movendo-se sobre a superfície curva da lâmina, exerce uma pressão sobre a lâmina devido à sua força centrífuga. Cada linha de bicos fixos e pás móveis é chamada de estágio. As pás giram no rotor da turbina e as pás fixas são dispostas concentricamente dentro do alojamento circular da turbina.

Em todas as turbinas, a velocidade da lâmina rotativa é proporcional à velocidade do vapor que passa sobre a lâmina. Se o vapor for expandido apenas em um único estágio, da pressão da caldeira à pressão de exaustão, sua velocidade deverá ser extremamente alta. Mas a turbina principal típica em usinas nucleares, na qual o vapor se expande de pressões de cerca de 6 MPa para pressões de 0,008 MPa , opera a velocidades de cerca de 3.000 RPM para sistemas de 50 Hz para gerador de 2 polos. (Ou 1500 RPM para gerador de 4 polos) e 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para gerador de 4 polos (ou 3600 RPM para gerador de 2 polos). Um anel de lâmina única exigiria lâminas muito grandes e aproximadamente 30.000 RPM, o que é muito alto para fins práticos.

Portanto, a maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP de vários estágios paralelos , um gerador principal e um excitador.  A turbina HP geralmente é uma turbina de reação de fluxo duplo com cerca de 10 estágios com pás encobertas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. As turbinas LP são geralmente turbinas de reação de fluxo duplocom cerca de 5-8 estágios (com lâminas encobertas e com lâminas independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da produção bruta de energia da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.

Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (ponto D ) O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa ), e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Turbina a vapor típica de 3000 MW de PWR
Esquema de uma turbina a vapor de um PWR típico de 3000 MW.
Turbina Rateau - composição sob pressão
Turbina Rateau – composição sob pressão
Turbina a vapor
Turbina a vapor. Fonte wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0
Ciclo de Rankine - diagrama de Ts
Ciclo de Rankine – diagrama de Ts
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