Ciclo Rankine

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 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.

Ciclo Rankine

Equações

Cada uma das equações à seguir podem ser obtidas facilmente à 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 mecâmico 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 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.

Ciclo Rankine regenerativo