O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâminco. Como outros ciclos termodinâmicos, sua eficiência máxima é obtida através da eficiência de um Ciclo de Carnot. Seu nome foi dado em razão do matemático escocês William John Macquorn Rankine
Este artigo irá lidar com o ciclo rankine do ponto de vista de um engenheiro.
Processos de um ciclo Rankine[]
Existem quatro processos[1] 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 fluído é bombeado (idealmente num 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 fluído 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.
Descrição[]
O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas à vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Em tais estações, o trabalho é gerado ao se vaporizar e condensar-se alternadamente um fluido de trabalho (normalmente água, mas pode incluir outros líquidos, como amônia).
O fluído de trabalho num ciclo Rankine segue um ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se observa em estações de energia vêm do sistema de resfriamento do condensador, e não do fluído de trabalho.
Equações[]
Cada uma das equações à seguir podem ser obtidas facilmente à partir do balanço de massa e energia do volume de controle[2]. 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[]
taxa de entrada de calor (energia por unidade de tempo) | |
fluxo mássico (massa por unidade de tempo) | |
trabalho mecâmico 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)[]
Num ciclo Rankine real, a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isoentrópicos[2]. 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[2].
Ciclo Rankine regenerativo[]
O ciclo Rankine regenarativo é nomeado desta forma devido ao fato do fluído ser reaquecido após sair do condensador, aproveitando parte do calor contido no fluído liberado pela turbina de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do fluído em circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo.
- ↑ Moran & Shapiro 'Fundamentals of Engineering Thermodynamics' (ISBN 0471274712)
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Van Wylen 'Fundamentos da Termodinâmica' (ISBN 8521203276) Erro de citação: Etiqueta inválida
<ref>
; Nome "Van_Wylen" definido várias vezes com conteúdo diferente Erro de citação: Etiqueta inválida<ref>
; Nome "Van_Wylen" definido várias vezes com conteúdo diferente