O que é eficiência térmica de motores de calor – Exemplos – Definição

Engenharia de Energia

• Conversão de energia térmica oceânica (OTEC). O OTEC é um motor térmico muito sofisticado que usa a diferença de temperatura entre águas do mar mais frias e profundas da superfície para acionar uma turbina de baixa pressão. Como a diferença de temperatura é baixa , cerca de 20 ° C, sua eficiência térmica também é muito baixa, cerca de 3% .
• 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. Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperatura do vapor . Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares .
• As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%.
• 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).
• As usinas supercríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão supercrítica (ou seja, superior a 22,1 MPa), têm eficiência em torno de 43% . As usinas elétricas a carvão mais eficientes e também muito complexas, operadas a pressões “ultra-críticas” (ou seja, cerca de 30 MPa) e que utilizam reaquecimento em vários estágios, atingem cerca de 48% de eficiência.
• As modernas instalações de turbina a gás de ciclo combinado (CCGT), nas quais o ciclo termodinâmico consiste em dois ciclos de usina (por exemplo, o ciclo de Brayton e o ciclo Rankine), podem atingir uma eficiência térmica de cerca de 55% , em contraste com um vapor de ciclo único usina, limitada a eficiências em torno de 35 a 45%.

Eficiência térmica do ciclo de Brayton

Vamos assumir o ciclo de Brayton ideal que descreve o funcionamento de um motor de calor com pressão constante . Os modernos motores de turbina a gás e os motores a jato de respiração também seguem o ciclo de Brayton. Esse ciclo consiste em quatro processos termodinâmicos:

1. 

   compressão isentrópica – o ar ambiente é aspirado para o compressor, onde é pressurizado (1 → 2). O trabalho necessário para o compressor é dado por W _C = H ₂ – H ₁ .

2. adição de calor isobárico – o ar comprimido passa por uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado e o ar ou outro meio é aquecido (2 → 3). É um processo de pressão constante, já que a câmara está aberta para entrar e sair. O calor líquido adicionado é dado por Q _add = H ₃ – H ₂
3. expansão isentrópica – o ar aquecido e pressurizado se expande na turbina, gasta sua energia. O trabalho realizado pela turbina é dado por W _T = H ₄ – H ₃
4. rejeição de calor isobárica – o calor residual deve ser rejeitado para fechar o ciclo. O calor líquido rejeitado é dado por Q _re = H ₄ – H ₁

Como pode ser visto, podemos descrever e calcular (por exemplo, eficiência termodinâmica) esses ciclos (da mesma forma para o ciclo de Rankine ) usando entalpias .

Para calcular a eficiência térmica do ciclo de Brayton (compressor único e turbina única), os engenheiros usam a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia e não em energia interna.

A primeira lei em termos de entalpia é:

dH = dQ + Vdp

Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho,   Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto, como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia .

Existem expressões em termos de variáveis ​​mais familiares, como temperatura e pressão :

dH = C _p dT + V (1-aT) dp

Onde C _p é a capacidade de calor a uma pressão constante e α é o coeficiente de expansão térmica (cúbico). Para o gás ideal αT = 1 e, portanto:

dH = C _p dT

A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁   → H ₂ – H ₁ = C _P (T ₂ – T ₁ )

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁     → H ₂ – H ₁ = C _P (T ₂ – T ₁ )

A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. A eficiência térmica desse ciclo simples de Brayton, para o gás ideal e em termos de entalpias específicas, agora pode ser expressa em termos de temperatura:

Eficiência térmica do ciclo Rankine

O ciclo Rankine descreve de perto os processos em motores térmicos a vapor comumente encontrados na maioria das usinas termelétricas . As fontes de calor usadas nessas usinas são geralmente a combustão de combustíveis fósseis, como carvão, gás natural ou também a fissão nuclear .

Uma usina nuclear ( usina nuclear) parece uma usina termelétrica padrão, com uma exceção. A fonte de calor na usina nuclear é um reator nuclear . Como é típico em todas as centrais térmicas convencionais, o calor é usado para gerar vapor que aciona uma turbina a vapor conectada a um gerador que produz eletricidade.

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 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 de0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

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

= 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). Mas a usina nuclear é o verdadeiro motor térmico , no qual os processos termodinâmicos são de alguma forma irreversíveis. Eles não são feitos infinitamente devagar. Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mecânico e perdas de calor causam mais perdas de eficiência.

Para calcular a eficiência térmica do ciclo Rankine mais simples (sem reaquecer), os engenheiros usam a primeira lei da termodinâmica em termos de entalpia e não em energia interna.

A primeira lei em termos de entalpia é:

dH = dQ + Vdp

Nesta equação, o termo Vdp é um trabalho de processo de fluxo. Este trabalho,   Vdp , é usado para sistemas de fluxo aberto, como uma turbina ou uma bomba na qual existe um “dp” , ou seja, mudança de pressão. Não há alterações no volume de controle . Como pode ser visto, essa forma de lei simplifica a descrição da transferência de energia . A pressão constante , a mudança de entalpia é igual à energia transferida do ambiente através do aquecimento:

Processo isobárico (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁

Na entropia constante , ou seja, no processo isentrópico, a mudança de entalpia é igual ao trabalho do processo de fluxo realizado no ou pelo sistema:

Processo isentrópico (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁

É óbvio que será muito útil na análise de ambos os ciclos termodinâmicos usados ​​na engenharia de energia, ou seja, no ciclo de Brayton e no ciclo de Rankine.

A entalpia pode ser transformada em uma variável intensiva ou específica dividindo-se pela massa . Os engenheiros usam mais a entalpia específica na análise termodinâmica do que a própria entalpia. Ele é tabulado nas tabelas de vapor, juntamente com o volume específico e a energia interna específica . A eficiência térmica desse ciclo simples de Rankine e em termos de entalpias específicas seria:

É uma equação muito simples e, para determinar a eficiência térmica, você pode usar os dados das tabelas de vapor .

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. O motivo está na temperatura do vapor relativamente baixa ( 6 MPa ; 275,6 ° C). Eficiências mais altas podem ser alcançadas aumentando a temperaturado vapor. Mas isso requer um aumento nas pressões dentro de caldeiras ou geradores de vapor. No entanto, considerações metalúrgicas impõem limites superiores a essas pressões. Em comparação com outras fontes de energia, a eficiência térmica de 33% não é grande. Mas deve-se notar que as usinas nucleares são muito mais complexas que as usinas de combustíveis fósseis e é muito mais fácil queimar combustíveis fósseis do que gerar energia a partir de combustíveis nucleares. As usinas subcríticas de combustíveis fósseis, que são operadas sob pressão crítica (ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma eficiência de 36 a 40%.