Início » Sistema de Condensação » Eficiência de Ciclos Térmicos

Eficiência de Ciclos Térmicos Aplicando Condensador e Turbina a Vapor

Entendendo a Aplicação de Condensadores e Turbinas a Vapor na Melhoria da Eficiência dos Ciclos Térmicos

Hoje vamos falar sobre eficiência de ciclos térmicos aplicando condensador e turbina a vapor.

Todos os técnicos e engenheiros que trabalham com turbinas de condensação, seja para a geração de energia elétrica, ou para o acionamento de outras máquinas, sabem que uma turbina de condensação, precisa evidentemente de um condensador de superfície.

Por que utilizar o condensador de superfície em uma turbina de condensação?

A maioria esmagadora das respostas será semelhante ao explicado a seguir:

“O condensador em uma turbina de condensação serve para recuperar o vapor condensado, reenviando ao sistema de alimentação de água de caldeira para produzirmos novamente vapor, fechando assim o ciclo vapor (ou ciclo Rankine).”

E a resposta está totalmente correta, porém incompleta!

Porém, vamos explicar o restante dessa resposta neste artigo.

Vamos imaginar que fosse possível uma turbina entregar em seu exausto, o vapor diretamente para a atmosfera, pois água (e principalmente água tratada), não é nenhum problema para nossa indústria, possuímos uma produção ilimitada de água para produção de vapor sem custo.

Esse é o ponto inicial de uma série de quatro estudos de caso que visa mostrar a influência das propriedades do vapor de admissão e exaustão no rendimento de um ciclo vapor Rankine.

Dessa forma, os quatro estudos de caso são descritos a seguir:

1. Produção de vapor saturado e turbina sem condensador;
2. Produção de vapor saturado e turbina com condensador;
3. Produção de vapor superaquecido e turbina com condensador;
4. Produção de vapor superaquecido e aquecimento da água de caldeira.

Iniciando o Estudo

De posse dos quatro casos, precisamos definir algumas premissas básicas:

Nossa água de alimentação já está pré-aquecida a 145°C;
A água é entregue para a caldeira a 90kgf/cm²g;
A vazão de vapor para a turbina será de 30 t/h ;
Admitimos que 90% do calor produzido pela caldeira seja transferido para o vapor, sendo o restantetransferido para a atmosfera (chaminé mais perdas).
Nosso combustível possui o poder calorifico (PCI¹) de ·47.000 kJ/kg;
Nossa turbina é uma turbina ideal, ou seja, não é capaz de destruir o trabalho produzido pelo vapor
em calor, dessa forma opera em condição isentrópica.
Além disso, nossa turbina não é capaz de efetuar troca de calor com o ambiente, sendo o calor produzido pela caldeira totalmente consumido e rejeitado apenas pela turbina. Consideramos assim
um isolamento perfeito para a turbina, operando na condição adiabática.

Caso 1 – Produção de Vapor saturado e turbina operando com exausto diretamente para a atmosfera

Vamos agora utilizar das tabelas de vapor para verificarmos suas principais propriedades para dois
estados iniciais, a entrada de água na caldeira e a saída de vapor para a caldeira.

Atualmente existem muitos aplicativos de tabelas de vapor nas lojas de aplicativos e a grande maioria é gratuito.

Podemos facilmente levantar os dois estados da caldeira dessa forma.

1.1 Admissão de Água na Caldeira

O caso 1 é visualizado na figura 5, estando a água 90 kgf/cm²g e 145 °C, podemos levantar a entalpia
específica da água, ou seja, a quantidade total de energia contida por massa. Dados os dois graus de
liberdade, pressão e temperatura, podemos levantar esta variável muito importante cujo valor é 616 kJ/kg.

1.2 Saída de Vapor da caldeira

Nossa caldeira produz vapor saturado, logo o vapor é entregue com título a 100%. Conhecendo o título e a pressão do vapor (90 kgf/cm²g) podemos levantar as demais informações desse estado:

Temperatura: 302°C (ebulição);
Entalpia específica do vapor: 2746 kJ/kg
Entropia específica: 5,68 kJ/kgK;

Com esses dados, podemos calcular qual a potência entregue para o vapor.

Dessa forma, levantamos que a potência calórica produzida pela caldeira:

Considerando que a caldeira tenha 90% de eficiência, então a potência calórica entregue pelo combustível para a caldeira deverá ser de 19700 kW para que esse calor chegue na turbina com 17750 kW, conforme mostra a equação 1.1;

1.3 Potência na Turbina a Vapor

Agora, vamos verificar qual será a potência produzida pela turbina. Para isso, vamos utilizar do mesmo estado do vapor de saída da caldeira.

Precisamos especificar qual o estado final do vapor.

Foi acertado que o vapor será entregue diretamente para a atmosfera, ou seja, para uma pressão de 1,00 kgf/cm² (uma atmosfera técnica).

Sabendo que a turbina opera de forma isentrópica, o valor de 5,68 kJ/kgK e 1,00 kgf/cm², nos remetem aos seguintes valores de entalpia e temperatura:

Temperatura: 99°C
Entalpia do vapor: 2046 kJ/kg
Título: 72%

Dessa forma, podemos verificar a potência entregue para a turbina, utilizando a equação 1. 0 novamente:

Agora, calculemos o rendimento desse sistema, ou seja, do trabalho total produzido pelo calor total entregue pelo combustível, vejamos:

Um rendimento medíocre de menos de 30% de eficiência de nossa turbina.

Por fim, vamos aproveitar e verificar qual será a quantidade de combustível utilizado para a produção dessa potência.

A quantidade de combustível pode ser calculada através da equação 1.2:

Conclusão, utilizando-se de 1500 kg/h de combustível, produziremos pouco mais de 5800 kW de potência elétrica, com um rendimento de 29%.

Lembrando que todas as condições consideradas são ideais.

Caso 2 – Produção de vapor saturado e instalação de condensador de superfície para exausto da turbina

Agora vamos inserir o condensador de superfície em nosso processo. Para isso vamos utilizar de um
sistema de água de resfriamento que opera sob a condição de 25°C de temperatura de entrada, e por
sua vez retorna para uma torre de resfriamento à 40°C. A figura 6 mostra o ciclo em estudo.

Isso significa que a temperatura que o vapor de exausto encontrará deverá ser no mínimo 40°C.

Vamos admitir que dada as características de troca de calor (material dos tubos, número de tubos, sujeira nos tubos e vazão de água), permitam que a temperatura do vapor de exausto atinja 46°C.

Esse será o nosso approach².

O que significa isso para a turbina?

2.1 – Saída do Vapor para a Caldeira

Vamos novamente nos debruçar em nossa tabela de vapor. Vamos relembrar a admissão de vapor na
turbina:

Temperatura: 302°C (ebulição);
Entalpia específica do vapor: 2746 kJ/kg;
Entropia específica: 5,68 kJ/kgK

2.2 – Novo Estado para vapor de exausto

Sabendo que a turbina é isentrópica, então com o valor da entropia específica (5,68 kJ/kgK) e a temperatura do vapor no condensador (46°C), podemos levantar as demais informações do exausto da turbina.

Pressão: -676,5 mmHg
Entalpia específica do vapor: 1800 kJ/kg
Título: 67%

A pressão de exausto da turbina passa a ser negativa, ou seja, menor que a atmosférica.

Isso é extremamente importante, pois mostra que o próprio condensador produz o vácuo no processo!

A entalpia específica do exausto é reduzida, ou seja, o salto entálpico dentro da turbina aumenta!

O título do vapor aumenta ainda mais, mostrando que parte desse vapor chega no último estágio já na forma de água líquida!

2.3 – Potência da turbina

Vamos aos cálculos, qual a potência produzida pela turbina? Vamos utilizar a equação 1.0 novamente;

Incríveis 7883 kW de potência, incrementando a potência produzida.

Dessa forma, concluímos a resposta de nossa primeira pergunta, o condensador tem como função
principal a redução da temperatura do exausto, o que Sadi Carnot em 1822 já havia verificado em seus experimentos, e que, quanto maior o Δt (diferença de temperatura entre entrada e saída) no processo, maior será a transferência de energia para a máquina.

Outro ponto importante visto acima é que, ao reduzirmos a temperatura do vapor de exausto utilizando água de resfriamento, será inevitavelmente produzido vácuo no condensador.

Esse vácuo deve permanecer constante se não houver nenhum tipo de entrada de gás incondensável (ar, NH3, CO2,) que sejam admitidos na turbina ou na água de caldeira.

Daí a necessidade de ejetores ou bombas de vácuo, para remover os incondensáveis presentes no vapor e não para produzir o vácuo.

Vejamos o rendimento da turbina pela equação 1.1;

O rendimento da turbina aumenta de 29% para 40%!

Como mantivemos o esquema de consumo de combustível, não alterando as condições da caldeira, produzimos mais com a mesma quantidade de combustível queimado

CURSOS E TREINAMENTOS TURBINAS A VAPOR

Descubra mais como podemos ajudar você e a sua empresa, com nossos Cursos e Treinamentos padronizados ou customizados.

MAIS INFORMAÇÕES

Caso 3 – Superaquecimento do vapor com condensador de superfície

Afinal de contas:

Para que superaquecer o vapor? É necessário?

Vamos lá.

Vamos passar nosso vapor saturado por um conjunto de tubos mais próximo da queima do combustível.

A figura 7 mostra nosso processo com superaquecedor.

Esse conjunto de tubos, denominado de super aquecedor, entrega o vapor para turbina “seco”.

Vamos admitir que o vapor será entregue na temperatura de 475°C contra os 302°C de ebulição.

3.1 – Saída do vapor para a caldeira

Vamos verificar as condições desse vapor:

Temperatura: 475°C (seco);
Pressão: 90 kgf/cm²g
Entalpia específica do vapor: 3325 kJ/kg
Entropia específica: 6,58 kj/kgK

Vamos entender os dados acima:

A nova condição de temperatura, mantendo-se a pressão, mostra um novo valor de entalpia, maior que dos casos 1 e 2.

Isso decorre da transferência de calor para os tubos do super aquecedor, logo já entendemos de antemão que a potência da turbina será incrementada (maior Δt).

Outra informação importante é que a entropia do sistema aumentou. Aumentou porque a temperatura também aumentou. E isso mostrará um fenômeno muito importante na turbina.

Vamos aos cálculos:

3.2 – Novo Estado para vapor de exausto

Como a turbina é isentrópica, e a entropia aumenta na admissão e também aumenta no exausto, seguindo o mesmo valor.

Dessa forma, mantendo os 46°C de temperatura de exausto, teremos a nova condição do vapor de exausto:

Temperatura: 46°C
Entropia específica: 6,58 kJ/kgK
Pressão: 676,5 mmHg;
Entalpia específica do vapor: 2085 kJ/kg
Título: 80%

Veja que a pressão não se alterou, pois ela é função da temperatura, mas a entalpia do vapor de exausto também aumentou.

Isso significa que apesar de aumentarmos a entalpia na admissão, aumentamos também no exausto, agora precisamos saber se o salto de entalpia ainda compensa!

Mas o que vale a pena ressaltar aqui, é o aumento do título do vapor de exausto. Veja que ele atinge 80%, ou seja, 80% do vapor está na fase vapor.

O aumento do título é importante para não ocorrer uma grande quantidade de condensado atingindo o último estágio da turbina.

Concluímos que o grau de superaquecimento influencia diretamente o título (porcentagem de água no vapor) no último estágio da turbina, que corrobora para a redução de risco de erosão das palhetas.

3.3 – potência da turbina

Vamos aos cálculos da potência, utilizando novamente a equação 1.0:

Realmente, aumentando a temperatura de admissão, aumentamos também a potência da turbina, mesmo perdendo certa quantidade de entalpia

3.4 – potência da caldeira

E quanto à caldeira, o que mudou?

Se a entalpia do vapor aumentou devido ao superaquecimento, a quantidade de potência calórica transferida para o vapor também aumentou.

Vejamos pela equação 1.0:

Dado o rendimento de 90%, a quantidade de calor necessária para a produção do vapor pela equação 1.1 será:

Conclusão: produzindo vapor superaquecido teremos:

Maior potência disponível na turbina
Maior rendimento
Maior título do vapor de exausto
Maior consumo de combustível

Agora vamos para nosso último caso, será que aquecendo a água de caldeira com o próprio vapor,
teremos maior eficiência de nosso processo?

A figura 8, mostra um esquema simplificado do aquecimento da água de caldeira com um trocador
de calor utilizando vapor de extração da turbina.

Confira o Vídeo sobre o assunto

Caso 4 – Pré-aquecendo aágua de caldeira com vapor de extração

Vamos utilizar agora de uma turbina com extração de vapor a 13 kgf/cm²g. Esse vapor será admitido em um trocador de calor aquecedor que transfere o calor do vapor para a água de caldeira.

Para este caso vamos definir que 30% de todo o vapor admitido pela turbina (10 t/h), seja transferido
para o aquecedor e o restante será entregue para o condensador de superfície (20 t/h).

Dessa forma teremos:

Vazão total de vapor: 30 t/h
Vazão de vapor para aquecimento da água: 10 t/h
Vazão de vapor para condensador de superfície:
20 t/h

Como a turbina é de extração, devemos efetuar o cálculo da potência da turbina, separando-a em duas turbinas, a primeira como turbina de alta pressão (HP) e a segunda como turbina de baixa pressão (LP).

4.1 – Estado para vapor de admissão na turbina HP

As condições de entrada do vapor serão as mesmas do caso 3:

Temperatura: 475°C (seco);
Pressão: 90 kgf/cm²g
Entalpia específica do vapor: 3325 kJ/kg;
Entropia específica: 6,58 kJ/kgK

4.2 – novo estado para vapor de extração (saída turbina HP)

Precisamos definir, agora, qual a entalpia do vapor que será extraído da turbina.

Se o vapor possui a pressão de 13 kgf/cm²g e a turbina é isentrópica (6,58 kJ/kgK), então teremos os
seguintes valores:

Pressão: 13 kgf/cm²g;
Entropia específica: 6,58 kJ/kgK;
Temperatura: 213°C;
Entalpia específica do vapor: 2838 kJ/kg

4.3 – potência na turbina HP

A potência transferida pela turbina HP poderá ser calculada pela equação 1.0 como:

4.4 – potência na turbina LP

Vamos calcular a potência transferida pela turbina de baixa pressão:

Veja que a vazão de vapor pelos estágios LP deverá ser de 20 t/h. Além disso, a entalpia na entrada dos estágios de baixa deverá ser a mesma que a do último estágio da turbina HP.

Dessa forma teremos a potência transferida calculada pela equação 1.0:

Se compararmos com o caso 3, veremos que houve uma redução da potência entregue de 10333 kW para 8241 kW.

Será que vale a pena aquecer a água de caldeira, reduzindo a potência da turbina?

4.5 – calor entregue pelo aquecedor de água

Calculemos o calor entregue pelo aquecedor à caldeira pela equação 1.0:

Vemos que a entalpia da água @145°C permanece a mesma, vamos aquecer a água, utilizando a entalpia do vapor de extração da turbina com a equação 1.0:

Esse é o valor do calor total transferido para a água de caldeira.

Agora vamos entender o que isso significa para a caldeira.

Esse é o valor do calor total transferido para a água de caldeira. Agora vamos entender o que isso significa para a caldeira.

4.6 – potência na caldeira

Mantendo as condições do caso 3, sabemos que a caldeira precisa disponibilizar 25083 kW de calor ao sistema.

Mas, sabemos também que o calor transferido para a água de caldeira pelo aquecedor é equivalente a 6172 kW.

Portanto, se aquecemos a água, precisaremos de menos calor provindo da queima de combustível.

Esse calor proveniente do combustível será:

Portanto, veja o que ocorre quando utilizamos um sistema de aquecimento de água de caldeira, proveniente do vapor de extração da turbina:

Menor potência disponível na turbina frente ao caso 3;
Maior rendimento de todos os casos;
Maior título do vapor de exausto;
Menor consumo de combustível de todos os casos;

A tabela 1, mostra todos os casos estudados, o gráfico 1 mostra o rendimento e o consumo de combustível frente a todos os casos.

Por fim, o gráfico 1 mostra o incremento de potência e eficiência do ciclo à medida que se melhora as condições do vapor, e do condensador.

5 – Conclusão

Vimos que a eficiência da turbina depende diretamente da temperatura de entrada e saída, portanto, que o condensador de superfície se faz necessário para aumentar a diferença de temperatura e com isso conseguir a maior transferência possível de entalpia.

Da mesma forma, a utilização de aquecimento de água com o vapor de extração da própria turbina impõe uma evidente melhora no rendimento com o consumo menor de combustível, o que reflete diretamente no custo de produção da energia (CVU³).

Grandes usinas termoelétricas possuem geralmente quatro ou mais pontos de extração de vapor para o aquecimento da água de caldeira, garantindo menores consumos de combustível.

A redução do consumo de combustível também é importante para as emissões, menores índices de emissões são buscados por todos os produtores de energia, garantindo menor emissão de carbono.

A figura 9, mostra um esquema simplificado onde uma série de trocadores de calor são associados com diversos pontos de extração das turbinas para promover o aquecimento da água de caldeira, demonstrando a importância na redução do consumo de combustível.

Por fim, é importante entendermos que a temperatura do vapor de admissão na turbina reflete diretamente o título no exausto o que deve garantir menores riscos de erosão nos últimos estágios.

Baixe o arquivo PDF

Preencha o formulário abaixo para receber o arquivo PDF que preparamos sobre esse assunto para você...

Clicando no botão, você concorda com nossos termos de privacidade

Sobre o Autor

Eric Basso

Engenheiro Químico com especialização em automação industrial com 30 anos de experiência em plantas de processamento e térmicas. Trabalhou em projeto, construção e montagem de plantas industriais assim como revamps e retrofits de máquinas. Coordenou e gerenciou a operação de plantas de processamento químico e usina termoelétrica.

Nota: As opiniões e informações contidas nesta publicação, não refletem necessariamente a opinião da TURBIVAP.

NEWSLETTER TURBOMÁQUINAS E COGERAÇÃO DE ENERGIA

Cadastre-se em nossa lista de distribuição e receba conteúdos exclusivos

CADASTRAR

Glossário

1-PCI, Poder Calorífico Inferior. É a quantidade total de energia por massa de combustível na ocorrência de queima completa. A quantidade de energia contida no PCI é medida até o ponto onde o vapor d’agua inicia seu processo de condensação, não considerando a energia para sua liquefação, logo quando a temperatura dos gases de queima na caldeira atinge em sua saída 100°C.

2 -Approach: Diferença das temperaturas entre dois fluidos dentro do trocador de calor. Em um trocador ideal a temperatura de saída do fluido “quente” será a mesma que a temperatura de saída do fluido “frio”. Na pratica o approach depende das resistências de troca de calor, resistência à condução, à convecção e incrustação, que definem o coeficiente universal de troca térmica (U).

3 – CVU: Custo Variável Unitário ou R$/MWh é o custo de uma usina onde está incluso seu custo operacional, o custo de manutenção e o de combustível. Quanto menor a eficiência da usina, maior o CVU e menor a capacidade de venda de sua energia ao sistema interligado nacional.

Referências

Brasil, Nilo, Introdução à Engenharia Química, Editora Interciência, 2ª Edição, Rio de Janeiro, 2004.
Buecker, Brad; A table of two laws; Power Engineering; https://www.powereng. com/om/a-tale-of-two-laws-basics-ofsteam-generation-thermodynamics/#gref, 04/02/2020.
Estrada, Alejandro; Termodinâmica Técnica, 2ª Edicion, Libreria Y Editoral Alsina, Buenos Aires, 1958.
Ieno G, Negro L., Termodinâmica, Editora Prentice Hall, São Paulo, 2004
Macintyre, A J., Equipamentos Industriais de Processo, Editora LTC, Rio de Janeiro, 2008.
Smith, Van Ness, Abbott; Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química, 7ª Edição, Editora LTC, São Paulo 2007.
Van Wylen, G & Sonntag R.E., Fundamentos da Termodinâmica Clássica, Editora Edgard Blücher LTDA.São Paulo, 1970.

Curso de Turbina a Vapor – Presencial, Remoto “EAD” ou Digital. Consulte-nos

Deixe um comentário Cancelar resposta

Este site utiliza o Akismet para reduzir spam. Saiba como seus dados em comentários são processados.

TURBIVAP

OUTROS CONTEÚDOS

TURBIVAP

Tudo sobre e para Turbinas a Vapor e Cogeração de Energia.

Sobre o Autor

Eric Basso

Eficiência de Ciclos Térmicos Aplicando Condensador e Turbina a Vapor

Sumário

Entendendo a Aplicação de Condensadores e Turbinas a Vapor na Melhoria da Eficiência dos Ciclos Térmicos

Iniciando o Estudo

Caso 1 – Produção de Vapor saturado e turbina operando com exausto diretamente para a atmosfera

1.1 Admissão de Água na Caldeira

1.2 Saída de Vapor da caldeira

1.3 Potência na Turbina a Vapor

Caso 2 – Produção de vapor saturado e instalação de condensador de superfície para exausto da turbina

2.1 – Saída do Vapor para a Caldeira

2.2 – Novo Estado para vapor de exausto

2.3 – Potência da turbina

CURSOS E TREINAMENTOS TURBINAS A VAPOR

Caso 3 – Superaquecimento do vapor com condensador de superfície

3.1 – Saída do vapor para a caldeira

3.2 – Novo Estado para vapor de exausto

3.3 – potência da turbina

3.4 – potência da caldeira

Confira o Vídeo sobre o assunto

Caso 4 – Pré-aquecendo aágua de caldeira com vapor de extração

4.1 – Estado para vapor de admissão na turbina HP

4.2 – novo estado para vapor de extração (saída turbina HP)

4.3 – potência na turbina HP

4.4 – potência na turbina LP

4.5 – calor entregue pelo aquecedor de água

4.6 – potência na caldeira

5 – Conclusão

Baixe o arquivo PDF

Preencha o formulário abaixo para receber o arquivo PDF que preparamos sobre esse assunto para você...

Sobre o Autor

NEWSLETTER TURBOMÁQUINAS E COGERAÇÃO DE ENERGIA

Glossário

Referências

Curso de Turbina a Vapor – Presencial, Remoto “EAD” ou Digital. Consulte-nos

Deixe um comentário Cancelar resposta

TURBIVAP

Sobre o Autor

Siga nos

Conteúdos recentes

Vídeo Relacionado

Participe da lista sobre Turbinas a Vapor

Compartilhe isso:

Deixe um comentário Cancelar resposta

Comunidade turbivap no whatsapp

participe

DESEJA RECEBER NOTIFICAÇÕES TAMBÉM POR WHATSAPP?

VAMOS COMEÇAR! 😀

Pré-cadastro cursoespecialista turbina a vapor

cadastre-se para a pré-venda

steam turbine e-book

curso indisponível no momento Aguarde a próxima turma

turbivap aCADEMY 😃

CURSO avançado DE TURBINA A VAPOR

programa turbivap pro

VAMOS COMEÇAR! 😀

plano empresarial

Pré-cadastro curso
especialista turbina a vapor

cadastre-se para a
pré-venda

curso indisponível no momento
Aguarde a próxima turma