Ciclo Rankine

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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 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 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, 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 em um ciclo Rankine e os processos isotérmicos na teoria do Ciclo Carnot. Uma bomba é aplicada 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[editar | editar código-fonte]

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

Existem quatro processos2 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[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 controle3 . 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[editar | editar código-fonte]

\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)[editar | editar código-fonte]

Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos3 . 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 turbina3 .

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.. Energy resources: occurrence, production, conversion, use. [S.l.]: Birkhäuser, 2000. 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)