O que é o ciclo de Rankine e como ele é definido?

Evelyn Maitee Marin
Engenheiro Industrial, Mestre em Física e EdD

Ciclo de potência termodinâmica ideal, cuja finalidade é obter trabalho útil de uma fonte de calor. Sua eficiência é limitada pelo equivalente ciclo de Carnot que opera entre as mesmas faixas de temperatura e que obedece à segunda lei da termodinâmica. Seu nome faz referência ao físico, engenheiro e educador William John Macguorn Rankine (1820-1872), que desenvolveu esse modelo em sua terra natal, a Escócia.

O ciclo de Rankines é de grande importância, pois este modelo é utilizado como base para descrever os ciclos termodinâmicos de muitos usinas de energia, tanto de fontes não renováveis, como termelétricas a carvão, óleo combustível ou nuclear; e ainda, ciclos termodinâmicos com fontes renováveis, como usinas solares térmicas ou geotérmicas.

A imagem mostra uma central térmica. Na maioria dessas plantas, são incorporados componentes como regeneradores, cujo objetivo é aumentar a eficiência do ciclo e melhorar seu desempenho.

Componentes básicos do ciclo de Rankine

Embora o ciclo Rankine possa incorporar várias melhorias e componentes, cuja finalidade é aumentar a eficiência do ciclo; Existem quatro dispositivos básicos necessários para completar o circuito. Estes são:

• A bomba: é o componente responsável por aumentar a pressão do fluido de transferência de calor a partir da pressão mínima (pressão de operação do condensador), até a pressão máxima (pressão de operação do caldeira). As bombas só podem trabalhar com substâncias em estado líquido e não com misturas, e sob considerações ideais, o processo de A compressão é realizada isentropicamente, embora na realidade sempre haja um aumento de entropia durante a compressão. compressão.

• O condensador: é o sistema encarregado de trocar calor com um reservatório em baixa temperatura (podem ser rios, lagos ou outras fontes), a fim de conseguir uma mudança de fase do vapor (ou mistura) na saída da turbina, até atingir o estado líquido antes de entrar na bomba. Normalmente é uma bobina ou tubos através dos quais o fluido circula internamente. trabalho e transfere calor para o fluido usado como meio de resfriamento sem realmente misturar com este. Idealmente, o condensador opera a pressão constante, embora na prática ocorram pequenas quedas de pressão durante o processo de condensação. condensação.

• A caldeira (ou equivalente): é o elemento ou espaço onde ocorre a adição de calor ao sistema, podendo esta fonte de calor provir de várias fontes (queima de um combustível fósseis, queima de biomassa, depósitos geotérmicos, energia solar térmico, ou o calor gerado durante a fissão nuclear). O fluido de alta pressão deve entrar na caldeira e esta se encarrega de fornecer o calor necessário para levá-la ao estado de vapor (ou vapor superaquecido) antes de ser expandida na turbina. Idealmente, as caldeiras operam a pressão constante, embora na prática ocorram quedas de pressão durante o processo de adição de calor.

• A turbina a vapor: nos ciclos termodinâmicos, as turbinas cumprem a função inversa da bombas, ou seja, seu objetivo é expandir o vapor na saída da caldeira para trazê-lo a uma pressão menor. Durante o processo de expansão, o impacto das partículas de vapor nas pás da turbina faz com que o eixo do rotor gire produzindo energia mecânica, que, por sua vez, pode ser transformada em energia elétrica quando acoplado a um gerador. Em condições ideais, o processo de expansão na turbina é realizado isentropicamente, mas devido às irreversibilidades, aumenta entalpia.

O ciclo elementar de Rankine

Este ciclo, em sua versão elementar, é composto por quatro processos: dois isobáricos e dois isentrópicos, conforme mostra a figura. esquema. A área dentro dos limites dos 4 estados representa o trabalho líquido do ciclo (w_líquido), que está diretamente relacionado com a eficiência térmica do ciclo.

O processo ideal seguido pelo fluido de trabalho (pode ser água ou outra substância) é o seguinte:

A substância em estado líquido entra na bomba onde é comprimida à pressão da caldeira (estado 2). Na caldeira, o líquido é aquecido e muda de fase, passando de líquido para mistura e depois para vapor. Se o calor continuar a ser adicionado além do estado de vapor saturado, a substância se torna um vapor superaquecido, aumentando sua temperatura (estado 3). A seguir, o vapor entra na turbina para se expandir até atingir a pressão mínima (estado 4) e entrar na condensador onde perderá calor para passar do estado de vapor (ou mistura) para o líquido (estado 4) completando o circuito.

Eficiência do ciclo de Rankine

A eficiência térmica está relacionada com a área delimitada pela região delimitada pelos 4 estados do ciclo, que o que significa que, para entrada de calor constante, quanto maior o trabalho líquido, maior a eficiência do ciclo. O trabalho líquido (w_líquido) é a diferença do trabalho gerado pela turbina (w_saída) menos o trabalho realizado pela bomba (w_Entrada). Por outro lado, a eficiência do ciclo também pode ser aumentada reduzindo a quantidade de calor que deve ser fornecida à caldeira (q_Entrada), e uma das formas de conseguir isso é incorporando aquecedores (abertos ou fechados) ao ciclo, cuja principal função é pré-aquecer a água do alimentando (água que entra na caldeira) através de extrações de vapor da turbina; isso tornaria o circuito um ciclo regenerativo de Rankine.

Na última equação, a variável h representa a entalpia em cada estado, e os valores são obtidos das tabelas de vapor do fluido de trabalho a partir das condições de pressão e/ou temperatura.

As melhorias no ciclo Rankine visam aumentar a área que representa o trabalho líquido do ciclo ou reduzir o calor fornecido pela caldeira.