Ciclo Rankine

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O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico reversível que converte calor em trabalho. O calor é fornecido por uma fonte de calor externa para uma caldeira, sendo usualmente o fluido operante a água. Este ciclo gera cerca de 90% de toda a energia elétrica produzida no mundo, [1] incluindo virtualmente toda a energia solar, biomassa, carvão e nuclear nas usinas elétricas. Ele é nomeado após a descoberta 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[editar | editar código-fonte]

Apresentação física dos quatro processos termodinâmicos usados no ciclo Rankine

O ciclo Rankine mostra o ciclo fechado do processo do fluido nas máquinas térmicas, sendo geralmente utilizado nas usinas de generação elétrica a combustão de combustíveis fosseis como o carvão, gás natural, e gasolina de forma a obter calor.

O Ciclo Rankine é similar ao Ciclo de Carnot, pois onde se observa a eficiência de uma turbina, o diagrama TS inicia assemelhar com o ciclo de Carnot. A diferença principal está na adição (de uma caldeira) e a da ausência de um condensador no processos isobáricos no ciclo Rankine e os processos isotérmicos na teoria do Ciclo Carnot.

O ciclo descreve-se na seguinte sequência:

Normalmente, líquido saturado sai do condensador (ponto 1), sendo pressurizado pela bomba (ponto 2), entrando na caldeira onde é transferido calor para este (ponto 3), normalmente a pressão constante. De seguida, é expandido na turbina, sendo aqui obtido trabalho mecânico. Por último, o fluido passa pelo condensador onde volta ao estado de líquido saturado. Teoricamente a expansão na turbina é isentrópica, ou seja, a entropia inicial é igual à final. No entanto, na realidade existem perdas, sendo obtido menos trabalho do que idealmente se quer. Da mesma forma, a bomba não tem uma eficiência de 100%, daí ser na realidade necessário fornecer mais trabalho que no regime ideal.

Processos de um ciclo Rankine[editar | editar código-fonte]

O diagrama T-S de um ciclo Rankine, exibindo um processo real e ideal.

Existem quatro processos[2] 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 adiabática reversível) 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 adiabática reversível. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem.
  • Processo 3-4: O vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado, idealmente a pressão constante, até a condição de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete.

Equações[editar | editar código-fonte]

Cada uma das equações a seguir podem ser obtidas facilmente a partir do balanço de massa e energia do volume de controle[3]. 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.

Variáveis[editar | editar código-fonte]

taxa de entrada de calor (energia por unidade de tempo)
fluxo mássico (massa por unidade de tempo)
trabalho mecânico usado pelo ou proveniente do sistema (energia por unidade de tempo)
eficiência termodinâmica do processo (adimensional)
estes são os valores de entalpia específica especificados no diagrama T-s

Ciclo Rankine real (não-ideal)[editar | editar código-fonte]

Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos[3]. 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[editar | editar código-fonte]

Duas variações básicas do ciclo Rankine são utilizados atualmente.

Ciclo Rankine com reaquecimento[editar | editar código-fonte]

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[3].

Ciclo Rankine com Reaquecimento

Ciclo Rankine regenerativo[editar | editar código-fonte]

O ciclo Rankine regenerativo 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

Referências

  1. Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use Birkhäuser [S.l.] p. 190. ISBN 978-0-387-98744-6. 
  2. Moran & Shapiro 'Fundamentals of Engineering Thermodynamics' (ISBN 0-471-27471-2)
  3. a b c Van Wylen 'Fundamentos da Termodinâmica' (ISBN 85-212-0327-6) Erro de citação: Invalid <ref> tag; name "Van_Wylen" defined multiple times with different content Erro de citação: Invalid <ref> tag; name "Van_Wylen" defined multiple times with different content