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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 RankineEditar

Ts-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.

DescriçãoEditar

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

Ciclo Rankine

EquaçõesEditar

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.

\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}}}

VariáveisEditar

\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)Editar

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 RankineEditar

Duas variações básicas do ciclo Rankine são utilizados atualmente.

Ciclo Rankine com reaquecimentoEditar

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 reaq

Ciclo Rankine com Reaquecimento

Ciclo Rankine regenerativoEditar

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 AAA

Ciclo Rankine regenerativo


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