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Perdas em turbinas a vapor

A turbina a vapor não é um motor térmico perfeito. Perdas de energia tendem a diminuir a eficiência e a produção de uma turbina. Essa ineficiência pode ser atribuída às seguintes causas.

• Perda de velocidade residual. A velocidade do vapor que sai da turbina deve ter um certo valor absoluto (v _ex ). A perda de energia devido à velocidade de saída absoluta de vapor é proporcional a (v _ex ² /2). Esse tipo de perda pode ser reduzido usando a turbina de vários estágios.
• Presença de fricção . Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas por atrito dos componentes individuais (por exemplo, bicos ou pás da turbina)
• Vazamento de vapor. O rotor da turbina e a carcaça não podem ser perfeitamente isolados. Alguma quantidade de vapor vaza da câmara sem fazer um trabalho útil.
• Perda devido ao atrito mecânico nos rolamentos. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.
• Perdas de pressão em válvulas reguladoras e linhas de vapor. Existem as principais válvulas de isolamento da linha de vapor (MSIVs), as válvulas de parada do acelerador e as válvulas de controle entre os geradores de vapor e a turbina principal. Como o atrito do tubo, as menores perdas são aproximadamente proporcionais ao quadrado da vazão . A vazão nas principais linhas de vapor é geralmente muito alta. Embora o estrangulamento seja um processo isentálico, a queda de entalpia disponível para o trabalho na turbina é reduzida, pois isso causa um aumento na qualidade do vapor do vapor de saída.
• Perdas devido à baixa qualidade do vapor . O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e o vapor está em um estado parcialmente condensado, tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Um conteúdo mais alto de gotas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, o que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás.
• Perda de radiação. A turbina a vapor pode operar em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 °. Por ser uma máquina grande e pesada, deve ser isolada termicamente para evitar perda de calor no ambiente.

Ciclo de compressão de vapor – Ciclo de refrigeração

A compressão de vapor usa um fluido refrigerante líquido circulante como meio (geralmente R134a ) que absorve e remove o calor do espaço a ser resfriado e subsequentemente rejeita esse calor em outro local. A figura mostra um sistema típico de compressão de vapor de estágio único . O sistema típico de compressão de vapor consiste em quatro componentes:

• Compressor
• Condensador
• Válvula de expansão (também chamada de válvula do acelerador)
• Evaporador

Em um ciclo ideal de compressão de vapor, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: um processo isentrópico (adiabático reversível), um processo de estrangulamento alternado com dois processos isobáricos:

• Compressão isentrópica (compressão no compressor de pistão) – Um refrigerante em circulação, como o R134a, entra no compressor como vapor de baixa pressão, ou um pouco abaixo da temperatura no interior do refrigerador. O meio gasoso é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 pelo compressor de pistão (ou por bombas centrífugas) a uma pressão e temperatura relativamente altas. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rejeição de calor isobárica (em um condensador) – O vapor superaquecido viaja sob pressão através de bobinas ou tubos que compõem o condensador. Nesta fase, o refrigerante passa pelo condensador, onde o refrigerante condensa e há transferência de calor do refrigerante para o ambiente mais frio. O calor rejeitado líquida é dada por Q _re = H ₃ – H ₂ . Quando o refrigerante sai do condensador, ele ainda está sob pressão, mas agora está apenas ligeiramente acima da temperatura ambiente.
• Processo isentálico (expansão em uma válvula de expansão) – O refrigerante no estado 3 entra na válvula de expansão e se expande para a pressão do evaporador. Esse processo geralmente é modelado como um processo de limitação para o qual a entalpia permanece constante. H ₄ = H ₃ . A diminuição repentina da pressão resulta na evaporação do flash do tipo explosivo de uma porção (normalmente cerca de metade) do líquido. O calor latente absorvido por essa evaporação é extraído principalmente do refrigerante líquido ainda adjacente, um fenômeno conhecido como auto-refrigeração .
• Adição de calor isobárico ( em um evaporador ) – O refrigerante frio e parcialmente vaporizado continua através das bobinas ou tubos da unidade do evaporador. Nesta fase (entre o estado 4 e o estado 1), há uma transferência de calor de pressão constante para o meio líquido a partir de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para fluir para dentro e para fora. À medida que o refrigerante passa pelo evaporador, a transferência de calor do espaço refrigerado resulta na vaporização do refrigerante. O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₁ – H ₄

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter o trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Ar Condicionado – Como funciona

O termo bomba de calor é usualmente reservado para um dispositivo que possa aquecer uma casa no inverno usando um motor eléctrico que faz o trabalho W para levar o calor Q _frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor Q _quente para o interior quente da casa.

O princípio operacional de refrigeradores , condicionadores de ar e bombas de calor é o mesmo e é exatamente o inverso de um motor de aquecimento . Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um ” dissipador de calor “, mas, neste caso, a transferência ocorre na direção oposta da transferência espontânea de calor, absorvendo o calor de um espaço frio e liberando-o para um mais quente. Conforme ilustrado na figura, ao realizar um trabalho externo W, o calor é retirado de uma região de baixa temperatura (fonte de calor) e uma quantidade maior de calor é exaurida em uma temperatura mais alta (dissipador de calor).

O ciclo ou método termodinâmico mais utilizado para aquecimento, ar condicionado, geladeiras e bombas de calor é o ciclo de compressão de vapor .

Ciclo de compressão de vapor – Refrigeração por compressão de vapor

A compressão de vapor usa um líquido refrigerante circulante como meio (geralmente R134a ) que absorve e remove o calor do espaço a ser resfriado e subsequentemente rejeita esse calor em outro local. A figura mostra um sistema típico de compressão de vapor de estágio único . O sistema típico de compressão de vapor consiste em quatro componentes:

• Compressor
• Condensador
• Válvula de expansão (também chamada de válvula do acelerador)
• Evaporador

Em um ciclo ideal de compressão de vapor, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: um processo isentrópico (adiabático reversível), um processo de estrangulamento alternado com dois processos isobáricos:

• Compressão isentrópica (compressão no compressor de pistão) – Um refrigerante circulante, como o R134a, entra no compressor como vapor de baixa pressão, ou um pouco abaixo da temperatura no interior do refrigerador. O meio gasoso é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 pelo compressor de pistão (ou por bombas centrífugas) a uma pressão e temperatura relativamente altas. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rejeição de calor isobárica (em um condensador) – O vapor superaquecido viaja sob pressão através de bobinas ou tubos que compõem o condensador. Nesta fase, o refrigerante passa pelo condensador, onde o refrigerante condensa e há transferência de calor do refrigerante para o ambiente mais frio. O calor rejeitado líquida é dada por Q _re = H ₃ – H ₂ . Quando o refrigerante sai do condensador, ele ainda está sob pressão, mas agora está apenas ligeiramente acima da temperatura ambiente.
• Processo isentálico (expansão em uma válvula de expansão) – O refrigerante no estado 3 entra na válvula de expansão e se expande para a pressão do evaporador. Esse processo geralmente é modelado como um processo de limitação para o qual a entalpia permanece constante. H ₄ = H ₃ . A diminuição repentina da pressão resulta na evaporação do flash do tipo explosivo de uma porção (normalmente cerca de metade) do líquido. O calor latente absorvido por essa evaporação é extraído principalmente do refrigerante líquido ainda adjacente, um fenômeno conhecido como auto-refrigeração .
• Adição de calor isobárico ( em um evaporador ) – O refrigerante frio e parcialmente vaporizado continua através das bobinas ou tubos da unidade do evaporador. Nesta fase (entre o estado 4 e o estado 1), há uma transferência de calor de pressão constante para o meio líquido a partir de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para fluir para dentro e para fora. À medida que o refrigerante passa pelo evaporador, a transferência de calor do espaço refrigerado resulta na vaporização do refrigerante. O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₁ – H ₄

Durante um ciclo de compressão de vapor, o trabalho é feito no fluido pelas bombas entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). Não há trabalho realizado pelo fluido, pois entre os estágios 3 e 4 o processo é isentálico. O fluido de trabalho em um ciclo de compressão de vapor segue um circuito fechado e é reutilizado constantemente.

Bombas de Calor Reversíveis

As bombas de calor reversíveis trabalham em qualquer direção para fornecer aquecimento ou ar condicionado (resfriamento) ao espaço interno. Eles empregam uma válvula de reversão para reverter o fluxo de refrigerante do compressor através das bobinas do condensador e da evaporação.

Aquecimento e Ar Condicionado

No modo de aquecimento , as bombas de calor são três a quatro vezes mais eficazes no aquecimento (ou seja, podem ter COP = 4) do que simples aquecedores de resistência elétrica que usam a mesma quantidade de eletricidade. O custo normalmente instalado para uma bomba de calor é cerca de 20 vezes maior do que para aquecedores de resistência. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador.

No modo de resfriamento , o fluxo é invertido e a bobina externa é um condensador, enquanto a interna é um evaporador. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador. O COP para o modo de resfriamento é menor que o modo de aquecimento, porque o trabalho realizado pelo compressor é utilizado apenas durante o modo de aquecimento.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter o trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Geladeira, Ar condicionado

O coeficiente de desempenho , COP , de um refrigerador é definido como o calor removido do reservatório frio Q _frio (ou seja, dentro de um refrigerador) dividido pelo trabalho W realizado para remover o calor (ou seja, o trabalho realizado pelo compressor).

Como pode ser visto, quanto melhor (mais eficiente) for a geladeira, mais calor Q _frio pode ser removido do interior da geladeira por uma determinada quantidade de trabalho. Como a primeira lei da termodinâmica deve ser válida também neste caso (Q _frio + W = Q _quente ), podemos reescrever a equação acima:

Para um refrigerador ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Essas fórmulas são aplicadas também a um ar condicionado , que funciona muito como uma geladeira.

Por outro lado, o COP para aquecimento e resfriamento é diferente.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor

Para aquecimento, o COP é a proporção do calor adicionado ao sistema (reservatório quente). Usando a primeira lei da termodinâmica, defina COP também como o calor removido do reservatório frio, mais o trabalho de entrada no trabalho de entrada.

Para uma bomba de calor ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Observe que essas equações devem usar uma escala de temperatura absoluta (T _frio , T _quente ) e é apenas uma eficiência máxima teórica . De acordo com a fórmula acima, o COP máximo atingível para T _quente = 35 ° C (308 K) e T _frio = 0 ° C (273 K) seria 8,8. Mas, na realidade, os melhores sistemas estão em torno de 4,5.

Como pode ser visto, o COP de um sistema de bomba de calor pode ser melhorado reduzindo a diferença de temperatura (T _quente – T _frio ). Portanto, reduzir a temperatura de saída (T _quente ) é muito eficiente, mas requer transferência de calor muito eficiente do sistema de bomba de calor para o ambiente (por exemplo, uso de piso encanado). Um aumento na temperatura de entrada (T _frio ) significa, por exemplo, uma fonte de calor no solo superdimensionada.

Exemplo – Bomba de Calor – Aquecimento e Ar Condicionado

Uma bomba de calor reversível possui um coeficiente de desempenho, COP = 3,0 , quando operada no modo de aquecimento . Seu compressor consome 1500 W de energia elétrica.

1. Calcule a quantidade de calor ( Q _quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
2. Se a bomba de calor fosse colocada no modo de resfriamento (por exemplo, para atuar como um ar-condicionado no verão), qual seria a expectativa do seu coeficiente de desempenho ? Suponha que tudo o mais permaneça o mesmo e negligencie todas as outras perdas.

Solução:

No COP , que é definido como:

a quantidade de calor que a bomba de calor pode adicionar a uma sala é igual a:

Q _quente = _{aquecimento de} COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

No caso do modo de resfriamento , a bomba de calor (ar-condicionado) com motor de 1500 W pode retirar o calor Q de _frio de dentro da casa e despejar Q _quente = 4500 W no exterior quente. Usando a primeira lei da termodinâmica, que declara:

Q _frio + W = Q _quente ,

obtém-se o calor, Q _frio = 3000 W . A partir da definição: COP _cooling = 3000/1500 = 2 .

Observe que, neste exemplo, temos muitas suposições. Por exemplo, assumimos que a diferença de temperatura (T _quente – T _fria ) é a mesma para os dois modos. Mas trocamos reservatórios, sem nenhum impacto na COP. É apenas um exemplo ilustrativo.

Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton

Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante . Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor de pressão constante

Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo de Brayton reverso . Seu objetivo é mover o calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, que é semelhante ao ciclo normal de Brayton, mas é conduzido ao contrário, via entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Esse tipo de ciclo é amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor. Também é amplamente utilizado na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.

Geladeira – Como funciona

O termo bomba de calor é usualmente reservado para um dispositivo que possa aquecer uma casa no inverno usando um motor eléctrico que faz o trabalho W para levar o calor Q _frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor Q _quente para o interior quente da casa.

O princípio operacional de refrigeradores , condicionadores de ar e bombas de calor é o mesmo e é exatamente o inverso de um motor de aquecimento . Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um ” dissipador de calor “, mas, neste caso, a transferência ocorre na direção oposta da transferência espontânea de calor, absorvendo o calor de um espaço frio e liberando-o para um mais quente. Conforme ilustrado na figura, ao realizar um trabalho externo W, o calor é retirado de uma região de baixa temperatura (fonte de calor) e uma quantidade maior de calor é exaurida em uma temperatura mais alta (dissipador de calor).

O ciclo ou método termodinâmico mais utilizado para aquecimento, ar condicionado, geladeiras e bombas de calor é o ciclo de compressão de vapor .

Ciclo de compressão de vapor – Refrigeração por compressão de vapor

A compressão de vapor usa um líquido refrigerante circulante como meio (geralmente R134a ) que absorve e remove o calor do espaço a ser resfriado e subsequentemente rejeita esse calor em outro local. A figura mostra um sistema típico de compressão de vapor de estágio único . O sistema típico de compressão de vapor consiste em quatro componentes:

• Compressor
• Condensador
• Válvula de expansão (também chamada de válvula do acelerador)
• Evaporador

Em um ciclo ideal de compressão de vapor, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: um processo isentrópico (adiabático reversível), um processo de estrangulamento alternado com dois processos isobáricos:

• Compressão isentrópica (compressão no compressor de pistão) – Um refrigerante circulante, como o R134a, entra no compressor como vapor de baixa pressão, ou um pouco abaixo da temperatura no interior do refrigerador. O meio gasoso é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 pelo compressor de pistão (ou por bombas centrífugas) a uma pressão e temperatura relativamente altas. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rejeição de calor isobárica (em um condensador) – O vapor superaquecido viaja sob pressão através de bobinas ou tubos que compõem o condensador. Nesta fase, o refrigerante passa pelo condensador, onde o refrigerante condensa e há transferência de calor do refrigerante para o ambiente mais frio. O calor rejeitado líquida é dada por Q _re = H ₃ – H ₂ . Quando o refrigerante sai do condensador, ele ainda está sob pressão, mas agora está apenas ligeiramente acima da temperatura ambiente.
• Processo isentálico (expansão em uma válvula de expansão) – O refrigerante no estado 3 entra na válvula de expansão e se expande para a pressão do evaporador. Esse processo geralmente é modelado como um processo de limitação para o qual a entalpia permanece constante. H ₄ = H ₃ . A diminuição repentina da pressão resulta na evaporação do flash do tipo explosivo de uma porção (normalmente cerca de metade) do líquido. O calor latente absorvido por essa evaporação é extraído principalmente do refrigerante líquido ainda adjacente, um fenômeno conhecido como auto-refrigeração .
• Adição de calor isobárico ( em um evaporador ) – O refrigerante frio e parcialmente vaporizado continua através das bobinas ou tubos da unidade do evaporador. Nesta fase (entre o estado 4 e o estado 1), há uma transferência de calor de pressão constante para o meio líquido a partir de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para fluir para dentro e para fora. À medida que o refrigerante passa pelo evaporador, a transferência de calor do espaço refrigerado resulta na vaporização do refrigerante. O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₁ – H ₄

Durante um ciclo de compressão de vapor, o trabalho é feito no fluido pelas bombas entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). Não há trabalho realizado pelo fluido, pois entre os estágios 3 e 4 o processo é isentálico. O fluido de trabalho em um ciclo de compressão de vapor segue um circuito fechado e é reutilizado constantemente.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter o trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Geladeira, Ar condicionado

O coeficiente de desempenho , COP , de um refrigerador é definido como o calor removido do reservatório frio Q _frio (ou seja, dentro de um refrigerador) dividido pelo trabalho W realizado para remover o calor (ou seja, o trabalho realizado pelo compressor).

Como pode ser visto, quanto melhor (mais eficiente) for a geladeira, mais calor Q _frio pode ser removido do interior da geladeira por uma determinada quantidade de trabalho. Como a primeira lei da termodinâmica deve ser válida também neste caso (Q _frio + W = Q _quente ), podemos reescrever a equação acima:

Para um refrigerador ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Essas fórmulas são aplicadas também a um ar condicionado , que funciona muito como uma geladeira.

Por outro lado, o COP para aquecimento e resfriamento é diferente.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor

Para aquecimento, o COP é a proporção do calor adicionado ao sistema (reservatório quente). Usando a primeira lei da termodinâmica, defina COP também como o calor removido do reservatório frio, mais o trabalho de entrada no trabalho de entrada.

Para uma bomba de calor ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Observe que essas equações devem usar uma escala de temperatura absoluta (T _frio , T _quente ) e é apenas uma eficiência máxima teórica . De acordo com a fórmula acima, o COP máximo atingível para T _quente = 35 ° C (308 K) e T _frio = 0 ° C (273 K) seria 8,8. Mas, na realidade, os melhores sistemas estão em torno de 4,5.

Como pode ser visto, o COP de um sistema de bomba de calor pode ser melhorado reduzindo a diferença de temperatura (T _quente – T _frio ). Portanto, reduzir a temperatura de saída (T _quente ) é muito eficiente, mas requer transferência de calor muito eficiente do sistema de bomba de calor para o ambiente (por exemplo, uso de piso encanado). Um aumento na temperatura de entrada (T _frio ) significa, por exemplo, uma fonte de calor no solo superdimensionada.

Exemplo – Bomba de Calor – Aquecimento e Ar Condicionado

Uma bomba de calor reversível possui um coeficiente de desempenho, COP = 3,0 , quando operada no modo de aquecimento . Seu compressor consome 1500 W de energia elétrica.

1. Calcule a quantidade de calor ( Q _quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
2. Se a bomba de calor fosse colocada no modo de resfriamento (por exemplo, para atuar como um ar-condicionado no verão), qual seria a expectativa do seu coeficiente de desempenho ? Suponha que tudo o mais permaneça o mesmo e negligencie todas as outras perdas.

Solução:

No COP , que é definido como:

a quantidade de calor que a bomba de calor pode adicionar a uma sala é igual a:

Q _quente = _{aquecimento de} COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

No caso do modo de resfriamento , a bomba de calor (ar-condicionado) com motor de 1500 W pode retirar o calor Q de _frio de dentro da casa e despejar Q _quente = 4500 W no exterior quente. Usando a primeira lei da termodinâmica, que declara:

Q _frio + W = Q _quente ,

obtém-se o calor, Q _frio = 3000 W . A partir da definição: COP _cooling = 3000/1500 = 2 .

Observe que, neste exemplo, temos muitas suposições. Por exemplo, assumimos que a diferença de temperatura (T _quente – T _fria ) é a mesma para os dois modos. Mas trocamos reservatórios, sem nenhum impacto na COP. É apenas um exemplo ilustrativo.

Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton

Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante . Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor de pressão constante

Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo de Brayton reverso . Seu objetivo é mover o calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, que é semelhante ao ciclo normal de Brayton, mas é conduzido ao contrário, via entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Esse tipo de ciclo é amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor. Também é amplamente utilizado na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.

Bomba de calor – Como funciona

O termo bomba de calor é usualmente reservado para um dispositivo que possa aquecer uma casa no inverno usando um motor eléctrico que faz o trabalho W para levar o calor Q _frio a partir do exterior a baixa temperatura e fornece calor Q _quente para o interior quente da casa.

O princípio operacional de refrigeradores , condicionadores de ar e bombas de calor é o mesmo e é exatamente o inverso de um motor de aquecimento . Em geral, uma bomba de calor é um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um ” dissipador de calor “, mas, neste caso, a transferência ocorre na direção oposta da transferência espontânea de calor, absorvendo o calor de um espaço frio e liberando-o para um mais quente. Conforme ilustrado na figura, ao realizar um trabalho externo W, o calor é retirado de uma região de baixa temperatura (fonte de calor) e uma quantidade maior de calor é exaurida em uma temperatura mais alta (dissipador de calor).

O ciclo ou método termodinâmico mais utilizado para aquecimento, ar condicionado, geladeiras e bombas de calor é o ciclo de compressão de vapor .

Ciclo de compressão de vapor – Refrigeração por compressão de vapor

A compressão de vapor usa um líquido refrigerante circulante como meio (geralmente R134a ) que absorve e remove o calor do espaço a ser resfriado e subsequentemente rejeita esse calor em outro local. A figura mostra um sistema típico de compressão de vapor de estágio único . O sistema típico de compressão de vapor consiste em quatro componentes:

• Compressor
• Condensador
• Válvula de expansão (também chamada de válvula do acelerador)
• Evaporador

Em um ciclo ideal de compressão de vapor, o sistema que executa o ciclo passa por uma série de quatro processos: um processo isentrópico (adiabático reversível), um processo de estrangulamento alternado com dois processos isobáricos:

• Compressão isentrópica (compressão no compressor de pistão) – Um refrigerante circulante, como o R134a, entra no compressor como vapor de baixa pressão, ou um pouco abaixo da temperatura no interior do refrigerador. O meio gasoso é comprimido adiabaticamente do estado 1 ao estado 2 pelo compressor de pistão (ou por bombas centrífugas) a uma pressão e temperatura relativamente altas. O ambiente trabalha com o gás, aumentando sua energia interna (temperatura) e comprimindo-o (aumentando sua pressão). Por outro lado, a entropia permanece inalterada. O trabalho necessário para o compressor é dado por W _C = H ₂ – H ₁ .
• Rejeição de calor isobárica (em um condensador) – O vapor superaquecido viaja sob pressão através de bobinas ou tubos que compõem o condensador. Nesta fase, o refrigerante passa pelo condensador, onde o refrigerante condensa e há transferência de calor do refrigerante para o ambiente mais frio. O calor rejeitado líquida é dada por Q _re = H ₃ – H ₂ . Quando o refrigerante sai do condensador, ele ainda está sob pressão, mas agora está apenas ligeiramente acima da temperatura ambiente.
• Processo isentálico (expansão em uma válvula de expansão) – O refrigerante no estado 3 entra na válvula de expansão e se expande para a pressão do evaporador. Esse processo geralmente é modelado como um processo de limitação para o qual a entalpia permanece constante. H ₄ = H ₃ . A diminuição repentina da pressão resulta na evaporação do flash do tipo explosivo de uma porção (normalmente cerca de metade) do líquido. O calor latente absorvido por essa evaporação é extraído principalmente do refrigerante líquido ainda adjacente, um fenômeno conhecido como auto-refrigeração .
• Adição de calor isobárico ( em um evaporador ) – O refrigerante frio e parcialmente vaporizado continua através das bobinas ou tubos da unidade do evaporador. Nesta fase (entre o estado 4 e o estado 1), há uma transferência de calor de pressão constante para o meio líquido a partir de uma fonte externa, uma vez que a câmara está aberta para fluir para dentro e para fora. À medida que o refrigerante passa pelo evaporador, a transferência de calor do espaço refrigerado resulta na vaporização do refrigerante. O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₁ – H ₄

Durante um ciclo de compressão de vapor, o trabalho é feito no fluido pelas bombas entre os estados 1 e 2 ( compressão isentrópica ). Não há trabalho realizado pelo fluido, pois entre os estágios 3 e 4 o processo é isentálico. O fluido de trabalho em um ciclo de compressão de vapor segue um circuito fechado e é reutilizado constantemente.

Bombas de Calor Reversíveis

As bombas de calor reversíveis trabalham em qualquer direção para fornecer aquecimento ou ar condicionado (resfriamento) ao espaço interno. Eles empregam uma válvula de reversão para reverter o fluxo de refrigerante do compressor através das bobinas do condensador e da evaporação.

Aquecimento e Ar Condicionado

No modo de aquecimento , as bombas de calor são três a quatro vezes mais eficazes no aquecimento (ou seja, podem ter COP = 4) do que simples aquecedores de resistência elétrica que usam a mesma quantidade de eletricidade. O custo normalmente instalado para uma bomba de calor é cerca de 20 vezes maior do que para aquecedores de resistência. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador.

No modo de resfriamento , o fluxo é invertido e a bobina externa é um condensador, enquanto a interna é um evaporador. No modo de aquecimento, a bobina externa é um evaporador, enquanto a interna é um condensador. O COP para o modo de resfriamento é menor que o modo de aquecimento, porque o trabalho realizado pelo compressor é utilizado apenas durante o modo de aquecimento.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor, Geladeira, Ar condicionado

Em, a geral eficiência térmica , η _th , de qualquer motor de calor como a razão entre o trabalho que faz, W , para o calor de entrada a uma temperatura elevada, Q _H .

A eficiência térmica , η _th , representa a fração de calor , Q _H , que é convertida em trabalho .

Mas em bombas de calor e geladeiras , o trabalho não é uma saída. Para uma refrigeração ou bombas de calor, a eficiência térmica indica até que ponto a energia adicionada pelo trabalho é convertida na produção líquida de calor. Do ponto de vista econômico, o melhor ciclo de refrigeração é aquele que remove a maior quantidade de calor do interior da geladeira (reservatório frio) para o menor gasto de trabalho mecânico ou energia elétrica. A proporção relevante é, portanto, quanto maior essa proporção, melhor a geladeira. Chamamos essa razão de coeficiente de desempenho , indicado pela COP .

O coeficiente de desempenho ,   COP, também é definido para bombas de calor, mas neste momento seguimos o calor líquido adicionado ao reservatório quente. O COP geralmente excede 1, especialmente em bombas de calor, porque, em vez de apenas converter o trabalho em calor, ele bombeia calor adicional de uma fonte de calor para onde o calor é necessário.

Em geral, o COP é altamente dependente das condições operacionais, especialmente a temperatura absoluta e a temperatura relativa entre o dissipador de calor e o sistema.

Coeficiente de desempenho – Geladeira, Ar condicionado

O coeficiente de desempenho , COP , de um refrigerador é definido como o calor removido do reservatório frio Q _frio (ou seja, dentro de um refrigerador) dividido pelo trabalho W realizado para remover o calor (ou seja, o trabalho realizado pelo compressor).

Como pode ser visto, quanto melhor (mais eficiente) for a geladeira, mais calor Q _frio pode ser removido do interior da geladeira por uma determinada quantidade de trabalho. Como a primeira lei da termodinâmica deve ser válida também neste caso (Q _frio + W = Q _quente ), podemos reescrever a equação acima:

Para um refrigerador ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Essas fórmulas são aplicadas também a um ar condicionado , que funciona muito como uma geladeira.

Por outro lado, o COP para aquecimento e resfriamento é diferente.

Coeficiente de desempenho – Bomba de calor

Para aquecimento, o COP é a proporção do calor adicionado ao sistema (reservatório quente). Usando a primeira lei da termodinâmica, defina COP também como o calor removido do reservatório frio, mais o trabalho de entrada no trabalho de entrada.

Para uma bomba de calor ideal (sem perdas e irreversibilidades), pode-se derivar que:

Observe que essas equações devem usar uma escala de temperatura absoluta (T _frio , T _quente ) e é apenas uma eficiência máxima teórica . De acordo com a fórmula acima, o COP máximo atingível para T _quente = 35 ° C (308 K) e T _frio = 0 ° C (273 K) seria 8,8. Mas, na realidade, os melhores sistemas estão em torno de 4,5.

Como pode ser visto, o COP de um sistema de bomba de calor pode ser melhorado reduzindo a diferença de temperatura (T _quente – T _frio ). Portanto, reduzir a temperatura de saída (T _quente ) é muito eficiente, mas requer transferência de calor muito eficiente do sistema de bomba de calor para o ambiente (por exemplo, uso de piso encanado). Um aumento na temperatura de entrada (T _frio ) significa, por exemplo, uma fonte de calor no solo superdimensionada.

Exemplo – Bomba de Calor – Aquecimento e Ar Condicionado

Uma bomba de calor reversível possui um coeficiente de desempenho, COP = 3,0 , quando operada no modo de aquecimento . Seu compressor consome 1500 W de energia elétrica.

1. Calcule a quantidade de calor ( Q _quente ) a bomba de calor pode adicionar a um quarto?
2. Se a bomba de calor fosse colocada no modo de resfriamento (por exemplo, para atuar como um ar-condicionado no verão), qual seria a expectativa do seu coeficiente de desempenho ? Suponha que tudo o mais permaneça o mesmo e negligencie todas as outras perdas.

Solução:

No COP , que é definido como:

a quantidade de calor que a bomba de calor pode adicionar a uma sala é igual a:

Q _quente = _{aquecimento de} COP x W = 3 x 1500 = 4500 W ou 4500 J / s

No caso do modo de resfriamento , a bomba de calor (ar-condicionado) com motor de 1500 W pode retirar o calor Q de _frio de dentro da casa e despejar Q _quente = 4500 W no exterior quente. Usando a primeira lei da termodinâmica, que declara:

Q _frio + W = Q _quente ,

obtém-se o calor, Q _frio = 3000 W . A partir da definição: COP _cooling = 3000/1500 = 2 .

Observe que, neste exemplo, temos muitas suposições. Por exemplo, assumimos que a diferença de temperatura (T _quente – T _fria ) é a mesma para os dois modos. Mas trocamos reservatórios, sem nenhum impacto na COP. É apenas um exemplo ilustrativo.

Ciclo reverso de Brayton – Ciclo de refrigeração de Brayton

Em geral, o ciclo de Brayton descreve o funcionamento de um motor térmico de pressão constante . Hoje, os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também são motores de calor de pressão constante

Um ciclo de Brayton conduzido na direção inversa é conhecido como ciclo de Brayton reverso . Seu objetivo é mover o calor do corpo mais frio para o mais quente, em vez de produzir trabalho. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor não pode fluir espontaneamente do sistema frio para o sistema quente sem que o trabalho externo seja realizado no sistema. O calor pode fluir do corpo mais frio para o mais quente, mas somente quando forçado por um trabalho externo. É exatamente isso que os refrigeradores e as bombas de calor realizam. Estes são acionados por motores elétricos que exigem trabalho de seu entorno para operar. Um dos ciclos possíveis é o ciclo reverso de Brayton, que é semelhante ao ciclo normal de Brayton, mas é conduzido ao contrário, via entrada líquida de trabalho. Esse ciclo também é conhecido como ciclo de refrigeração a gás ou ciclo de Bell Coleman. Esse tipo de ciclo é amplamente utilizado em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado que utilizam ar dos compressores do motor. Também é amplamente utilizado na indústria de GNL, onde o maior ciclo reverso de Brayton é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor acionado por turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.

Sistema de aquecimento de água de alimentação – Regeneração de calor

Em geral, o sistema de aquecimento de água de alimentação consiste em:

• aquecedores de água de alimentação de baixa pressão
• desaerador
• aquecedores de água de alimentação de alta pressão

Aquecedores de água de alimentação de baixa pressão

O condensado das bombas de condensado passa então por vários estágios dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão , nos quais a temperatura do condensado é aumentada pela transferência de calor do vapor extraído das turbinas de baixa pressão. Geralmente, existem três ou quatro estágios de aquecedores de água de alimentação de baixa pressão conectados na cascata. O condensado sai dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C e entra no desaerador. O sistema principal de condensado também contém um sistema mecânico de purificação de condensado para remover impurezas. Os aquecedores de água de alimentação são auto-reguláveis. Isso significa que quanto maior o fluxo de água de alimentação, maior a taxa de absorção de calor do vapor e maior o fluxo de vapor de extração.

Existem válvulas de retenção nas linhas de vapor de extração entre os aquecedores de água de alimentação e a turbina. Essas válvulas de retenção impedem o fluxo reverso de vapor ou água em caso de disparo da turbina, o que causa uma rápida diminuição da pressão no interior da turbina. Qualquer água que entre na turbina dessa maneira pode causar sérios danos às pás da turbina.

Desaerador

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.

Gerador principal – Gerador elétrico – Turbo-alternador

Um gerador ou gerador elétrico é um dispositivo que converte energia mecânica da turbina a vapor em energia elétrica . Como qualquer gerador elétrico de CA pode ser chamado de alternador, para grandes usinas, os engenheiros também usam o termo turbo-alternador , que se refere a alternadores acionados por turbinas a vapor. Como o turbo alternador geralmente consiste em duas partes, a maior das duas seções é o gerador principal e a menor é o excitador . Nas usinas termelétricas, geralmente existe um gerador principal, que fornece toda a energia para as redes de energia elétrica. Uma turbina a vapor geralmente está no mesmo eixo que um gerador principal e um excitador.

Em geral, um gerador principal consiste em uma parte rotativa e uma parte estacionária:

• Estator . O estator é a parte estacionária de um gerador elétrico que circunda o rotor. O estator possui um enrolamento de fio no qual a mudança de campo induz uma corrente elétrica
• Rotor . Rotor é a parte rotativa de um gerador elétrico e gera um campo magnético.

Um turbo-alternador típico em usinas nucleares consiste em:

• Gerador principal
  • Rotor refrigerado a hidrogênio de 4 polos . O enrolamento do rotor é constituído por condutores ocos, através dos quais o gás hidrogênio flui. O hidrogênio é resfriado nos trocadores de calor hidrogênio / água.
  • Estator com enrolamento resfriado a água (água desmineralizada).
• Sistema de excitação sem escova. Excitador sem escova, acionado por eixo e refrigerado a ar. O excitador mantém uma corrente passando pelos fios do rotor. Quando este rotor gira, ele induz uma tensão no estator.

Normalmente, o gerador principal opera a velocidades aproximadamente:

• 3000 RPM para sistemas de 50 Hz para gerador de 2 polos (ou 1500 RPM para gerador de 4 polos),
• 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para gerador de 4 polos (ou 3600 RPM para gerador de 2 polos).

com tensão de saída de 24.000 volts (24kV), classificação nominal – 1111 MVA, potência efetiva – 1000 MWel, fator de potência – 0,9 e eficiência – 99%.

Torres de refrigeração

As torres de resfriamento são dispositivos que rejeitam o calor desperdiçado na atmosfera através do resfriamento de um fluxo de água a uma temperatura mais baixa. Torres de resfriamento são construídas em locais onde há escassez de água . Ao usar torres de resfriamento, a necessidade de água de resfriamento é reduzida e apenas a água de reposição deve ser fornecida. As torres de resfriamento reduzem significativamente a demanda de água de resfriamento, mas são alcançadas às custas de grandes custos de capital.

No que diz respeito ao mecanismo de transferência de calor empregado, os principais tipos são:

As torres de resfriamento a seco operam por transferência de calor através de uma superfície que separa o fluido de trabalho do ar ambiente, como em um trocador de calor tubo a ar, utilizando a transferência de calor por convecção. Eles não usam evaporação, portanto, o consumo de água de maquiagem é mínimo.

Torres de resfriamento úmido (ou torres de resfriamento de circuito aberto) operam com o princípio de resfriamento evaporativo . O resfriamento evaporativo é a adição de vapor de água no ar, o que causa uma diminuição da temperatura do ar e da água também. A energia necessária para evaporar a água é retirada da massa restante de água, reduzindo assim sua temperatura . A água de resfriamento da usina é bombeada a uma altura de cerca de 10 m e distribuída pelo aterro da torre de resfriamento , descendo em cascata pelo aterro até o poço no fundo. Dentro da torre de resfriamento úmido, são adicionados preenchimentos para aumentar a superfície de contato e o tempo de contato entre o ar e a água, para proporcionar melhor transferência de calor.

Quase todas as usinas nucleares, que usam torres de resfriamento, usam as torres de resfriamento úmidas com base no princípio do resfriamento evaporativo. Alguma água cerca de 1% entra no ar na forma de vapor d’água, absorvendo seu calor latente de vaporização da água restante e, portanto, causa a redução na temperatura da água, à medida que o ar ambiente é atraído pelo fluxo de água. A água restante (resfriada) é coletada em um poço na parte inferior da torre e retornada ao condensador.

Os tipos de torres de resfriamento com base no calado (método de circulação de ar) são:

• Torres de resfriamento de calado natural . As torres de resfriamento de calado natural utilizam flutuabilidade através de uma chaminé alta hiperboloide . As torres de resfriamento hiperboloides são típicas das torres de resfriamento por tiragem natural devido à sua resistência estrutural e ao fato de que a forma hiperboloide também ajuda a acelerar o fluxo de ar convectivo para cima , melhorando a eficiência do resfriamento. Nesta torre de resfriamento, a água quente de resfriamento (por exemplo, 25 ° C) do condensador é bombeada para uma altura de cerca de 10 m, entra na torre e depois é pulverizada sobre as bandejas. Gotas de águacair e encontrar o ar mais frio que entra da parte inferior da torre, que é aberta para a atmosfera. A água quente (por exemplo, 25 ° C) cede seu calor ao ar e é resfriada (por exemplo, 22 ° C). O ar quente e úmido aumenta naturalmente devido ao diferencial de densidade em comparação com o ar externo seco e mais frio. O ar úmido e quente é menos denso que o ar mais seco na mesma pressão. Essa flutuação de ar úmido produz uma corrente ascendente de ar através da torre hiperboloide. A água resfriada cai sob a forma de chuva e é coletada na lagoa na parte inferior da torre.
• Torres de resfriamento de tiragem mecânica. Em geral, nas torres de resfriamento de tiragem mecânica, o ar circula com o uso de um dispositivo mecânico como um ventilador ou um soprador.
  • Torres de resfriamento forçadas . As torres de resfriamento de tiragem forçada usam o ventilador, que é instalado na parte inferior da torre. Isso produz altas velocidades de entrada e saída de ar, portanto, essas torres são muito mais suscetíveis à recirculação.
  • Torres de resfriamento por tiragem induzida. As torres de resfriamento por tiragem induzida usam o ventilador, que é instalado na parte superior da torre. Isso produz baixas velocidades de entrada e saída de ar, reduzindo a possibilidade de recirculação na qual o ar descarregado flui de volta para a entrada de ar.

Link especial: modelo 3D da NPP – sketchfab.com

Sistema de refrigeração – Sistema de circulação de água

O sistema de resfriamento ou o sistema de circulação de água fornece um suprimento contínuo de água de resfriamento ao condensador principal para remover o calor rejeitado pela turbina e pelos sistemas auxiliares (por exemplo, o sistema de desvio da turbina ). Nesse processo, a água de resfriamento fica quente. Essa energia é rejeitada na atmosfera através de torres de resfriamento ou diretamente na água do mar ou em um rio. Observe que nem todas as usinas nucleares têm torres de resfriamento e, inversamente, o mesmo tipo de torre de resfriamento também é frequentemente usado em grandes usinas a carvão.

Sistema de refrigeração em turbinas a vapor úmidas

Em uma turbina a vapor de condensação 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%.

A pressão no interior do condensador (portanto, a entalpia do vapor de saída) é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, temperatura da água no sistema de refrigeração ). e outros parâmetros:

• 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 pode causar 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 pode diminuir. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Deve-se notar que também há um limite inferior para a temperatura de saída do vapor, assim, para o sistema de refrigeração. Abaixo de 0,008 MPa e 41,5 ° C, o volume específico de vapor exaurido aumenta significativamente, o que requer enormes pás nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor . Além disso, com uma diminuição na pressão de exaustão da turbina, a qualidade do vapor diminui (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 .

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%); portanto, são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. Portanto, cerca de 2000 MW de energia inutilizável devem ser rejeitados para cumprir a segunda lei da termodinâmica .

Para manter os parâmetros no interior do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a água de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre a temperatura de saída e de entrada da água, portanto, a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alta . 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). O condensador de ua de entrada pode ter cerca de 22 ° C (fortemente dependendo das condições ambientais), enquanto que 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. Em geral, a energia pode ser rejeitada na atmosfera através de torres de resfriamento ou diretamente na água do mar ou em um rio.

Sistema de refrigeração – Sistema de circulação de água

O sistema de resfriamento ou o sistema de circulação de água fornece um suprimento contínuo de água de resfriamento ao condensador principal para remover o calor rejeitado pela turbina e pelos sistemas auxiliares (por exemplo, o sistema de desvio da turbina ). Nesse processo, a água de resfriamento fica quente. Essa energia é rejeitada na atmosfera através de torres de resfriamento ou diretamente na água do mar ou em um rio. Observe que nem todas as usinas nucleares possuem torres de resfriamento e, inversamente, o mesmo tipo de torre de resfriamento também é frequentemente usado em grandes usinas a carvão.

Sistema de resfriamento em turbinas a vapor úmidas

Em uma turbina a vapor de condensação 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), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

A pressão no interior do condensador (portanto, a entalpia do vapor de saída) é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, temperatura da água no sistema de refrigeração ). e outros parâmetros:

• 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 pode causar 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 pode diminuir. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

Deve-se notar que também existe um limite inferior para a temperatura de saída do vapor, assim, para o sistema de refrigeração. Abaixo de 0,008 MPa e 41,5 ° C, o volume específico de vapor exaurido aumenta significativamente, o que requer enormes pás nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor . Além disso, com uma diminuição na pressão de exaustão da turbina, a qualidade do vapor diminui (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 .

Deve-se notar que também há um limite inferior para a temperatura de saída do vapor, assim, para o sistema de refrigeração. Abaixo de 0,008 MPa e 41,5 ° C, o volume específico de vapor exaurido aumenta significativamente, o que requer enormes pás nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor . Além disso, com uma diminuição na pressão de exaustão da turbina, a qualidade do vapor diminui (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 .

Nas modernas usinas nucleares, a eficiência térmica geral é de cerca de um terço (33%); portanto, são necessários 3000 MWth de energia térmica da reação de fissão para gerar 1000 MWe de energia elétrica. Portanto, cerca de 2000 MW de energia inutilizável devem ser rejeitados para cumprir a segunda lei da termodinâmica .

Para manter os parâmetros no interior do condensador (0,008 MPa e 41,5 ° C), a água de resfriamento deve estar suficientemente fria e não pode haver grande diferença de temperatura entre a temperatura de saída e de entrada da água, portanto, a vazão através do sistema de resfriamento deve ser muito alta . 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). O condensador de ua de entrada pode ter cerca de 22 ° C (fortemente dependendo das condições ambientais), enquanto que 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. Em geral, a energia pode ser rejeitada na atmosfera através de torres de resfriamento ou diretamente na água do mar ou em um rio.

Torres de refrigeração

As torres de resfriamento são dispositivos que rejeitam o calor desperdiçado na atmosfera através do resfriamento de um fluxo de água a uma temperatura mais baixa. Torres de resfriamento são construídas em locais onde há escassez de água . Ao usar torres de resfriamento, a necessidade de água de resfriamento é reduzida e apenas a água de reposição deve ser fornecida. As torres de resfriamento reduzem significativamente a demanda de água de resfriamento, mas são alcançadas às custas de grandes custos de capital.

No que diz respeito ao mecanismo de transferência de calor empregado, os principais tipos são:

As torres de resfriamento a seco operam por transferência de calor através de uma superfície que separa o fluido de trabalho do ar ambiente, como em um trocador de calor tubo a ar, utilizando transferência de calor por convecção. Eles não usam evaporação, portanto, o consumo de água de maquiagem é mínimo.

Torres de resfriamento úmido (ou torres de resfriamento de circuito aberto) operam com o princípio de resfriamento evaporativo . O resfriamento evaporativo é a adição de vapor de água no ar, o que causa uma diminuição da temperatura do ar e da água também. A energia necessária para evaporar a água é retirada da massa restante de água, reduzindo assim sua temperatura . A água de resfriamento da usina é bombeada para uma altura de cerca de 10 m e distribuída pelo aterro da torre de resfriamento , descendo em cascata pelo aterro até o poço no fundo. Dentro da torre de resfriamento úmido, são adicionados preenchimentos para aumentar a superfície de contato e o tempo de contato entre o ar e a água, para proporcionar melhor transferência de calor.

Quase todas as usinas nucleares, que usam torres de resfriamento, usam as torres de resfriamento úmidas com base no princípio do resfriamento evaporativo. Alguma água cerca de 1% entra no ar na forma de vapor d’água, absorvendo seu calor latente de vaporização da água restante e, portanto, causa a redução na temperatura da água, à medida que o ar ambiente é atraído pelo fluxo de água. A água restante (resfriada) é coletada em um reservatório na parte inferior da torre e retornada ao condensador.

Os tipos de torres de resfriamento com base no calado (método de circulação de ar) são:

• Torres de resfriamento de calado natural . As torres de resfriamento de calado natural utilizam flutuabilidade através de uma chaminé alta hiperboloide . As torres de resfriamento hiperboloides são típicas das torres de resfriamento por tiragem natural devido à sua resistência estrutural e ao fato de que a forma hiperboloide também ajuda a acelerar o fluxo de ar convectivo para cima , melhorando a eficiência do resfriamento. Nesta torre de resfriamento, a água quente de resfriamento (por exemplo, 25 ° C) do condensador é bombeada para uma altura de cerca de 10 m, entra na torre e depois é pulverizada sobre as bandejas. Gotas de águacair e encontrar o ar mais frio que entra da parte inferior da torre, que é aberta para a atmosfera. A água quente (por exemplo, 25 ° C) cede seu calor ao ar e é resfriada (por exemplo, 22 ° C). O ar quente e úmido aumenta naturalmente devido ao diferencial de densidade em comparação com o ar externo seco e mais frio. O ar úmido e quente é menos denso que o ar mais seco na mesma pressão. Essa flutuação de ar úmido produz uma corrente ascendente de ar através da torre hiperboloide. A água resfriada cai sob a forma de chuva e é coletada na lagoa na parte inferior da torre.
• Torres de resfriamento de tiragem mecânica. Em geral, nas torres de resfriamento de tiragem mecânica, o ar circula com o uso de um dispositivo mecânico como um ventilador ou um soprador.
  • Torres de resfriamento forçadas . As torres de resfriamento de tiragem forçada usam o ventilador, que é instalado na parte inferior da torre. Isso produz altas velocidades de entrada e saída de ar, portanto, essas torres são muito mais suscetíveis à recirculação.
  • Torres de resfriamento por tiragem induzida. As torres de resfriamento por tiragem induzida usam o ventilador, que é instalado na parte superior da torre. Isso produz baixas velocidades de entrada e saída de ar, reduzindo a possibilidade de recirculação na qual o ar descarregado flui de volta para a entrada de ar.