Ciclo Rankine

O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico reversível que converte calor em trabalho. O calor é suprido via externa para um laço fechado, onde é usual usar água. Este ciclo genera cerca de 90% de toda a energia elétrica produzida no mundo, incluindo virtualmente toda a energia solar, biomassa, carvão e nuclear nas usinas elétrica. Ele é nomeado depois de William John Macquorn Rankine, um escocês polimata e professor da Universidade de Glasgow . O ciclo termodinâmico Rankine é fundamental subjacente dos motores a vapor.

Descrição

Apresentação física dos quatro processos termodinâmicos usados no ciclo Rankine

O ciclo Rankine mostra a descrição fechada do processo da operação de vapor das máquinas térmicas mostra geralmente descobrindo nas usinas de generação elétrica a combustão de combústiveis fossíl como o carvão, gás natural, e gasolina.

O Ciclo Rankine é qualquer referência com a prática do Ciclo de Carnot porque, onde uma turbina eficiência é usado, o diagrama TS inicia assemelhar com o ciclo de Carnot. A diferença principal adição (em uma caldeira) e a rejeição (em um condensador) são os processos isobáricos em um ciclo Rankine e os processos isotérmicos na teoria do Ciclo Carnot. Um bomba é usada para pressurizar o fluido em trabalho para o condensador que instanteamente condensa um gás em líquido. Toda a energia bombeada no fluido do trabalho através do ciclo completo é perdido, como é mostrado na energia da vaporização no trabalho na caldeira. Esta energia é perdida no ciclo porque a condensação aquele poder no lugar na turbina é limitada a 10% na ordem da minimização da erosão; a energia da vaporização rejeitada para o ciclo através do condensador. Porém bombeando o trabalho do fluido através do ciclo como o requerimento de um líquido é de uma pequena fração da energia necessária para ele transportar se como for comparado para a compressão do fluido do trabalho de um gás no compressor (como no ciclo de Carnot).

Processos de um ciclo Rankine

Existem quatro processos num ciclo Rankine, cada um alterando as propriedades do fluido de trabalho. Estas propriedades são identificadas pelos números no diagrama acima.

• Processo 4-1: Primeiro, o fluido de trabalho é bombeado (idealmente numa forma isoentropica) de uma pressão baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento requer algum tipo de energia para se realizar.
• Processo 1-2: O fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido. Fontes comuns de calor incluem carvão, gás natural e energia nuclear.
• Processo 2-3: O vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho. Idealmente, esta expansão é isoentrópica. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem.
• Processo 3-4: O vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado até a condição de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete.

Equações

Cada uma das equações a seguir podem ser obtidas facilmente a partir do balanço de massa e energia do volume de controle . A quinta equação define a eficiência termodinâmica do ciclo como sendo a razão entre o trabalho líquido do sistema e o calor fornecido ao sistema.

$\frac{\dot{Q}_{\mathit{caldeira}}} {\dot{m}} = h_2 - h_1$	$\frac{\dot{W}_{\mathit{turbina}}} {\dot{m}} = h_2 - h_3$
$\frac{\dot{Q}_{\mathit{condensador}}} {\dot{m}} = h_4 - h_3$	$\frac{\dot{W}_{\mathit{bomba}}} {\dot{m}} = h_4 - h_1$
$\eta = \frac{\dot{W}_{\mathit{turbina}}-\dot{W}_{\mathit{bomba}}} {\dot{Q}_{\mathit{caldeira}}}$

Variáveis

$\dot{Q}_{in}$	taxa de entrada de calor (energia por unidade de tempo)
$\dot{m}$	fluxo mássico (massa por unidade de tempo)
$\dot{W}$	trabalho mecânico usado pelo ou proveniente do sistema (energia por unidade de tempo)
$\eta$	eficiência termodinâmica do processo (adimensional)
$h_1, h_2, h_3, h_4$	estes são os valores de entalpia específica especificados no diagrama T-s

Ciclo Rankine real (não-ideal)

Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos . Em outras palavras, estes processos não são reversíveis, e a entropia aumenta durante os processos (indicados na figura como ΔS). Isto faz com que a energia requerida pela bomba seja maior, e que o trabalho produzido pela turbina seja menor do que o produzido num estado de idealidade.

Variações do ciclo Rankine

Duas variações básicas do ciclo Rankine são utilizados atualmente.

Ciclo Rankine com reaquecimento

O ciclo Rankine com reaquecimento opera utilizando duas turbinas em série. A primeira turbina recebe o vapor da caldeira à alta pressão, liberando-o de tal maneira a evitar sua condensação. Este vapor é então reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira, e é utilizado para acionar uma segunda turbina de baixa pressão. Entre outras vantagens, isto impede a condensação do vapor no interior das turbinas durante sua expansão, o que poderia danificar seriamente as pás da turbina .

Ciclo Rankine com Reaquecimento

Ciclo Rankine regenerativo

O ciclo Rankine regenarativo é nomeado desta forma devido ao fato do fluido ser reaquecido após sair do condensador, aproveitando parte do calor contido no fluido liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do fluido em circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo.

Ciclo Rankine regenerativo