Ciclo Rankine

O ciclo Rankine mostra o ciclo fechado do processo do fluido nas máquinas térmicas, sendo geralmente utilizado nas usinas de geração elétrica a partir da combustão de combustíveis fósseis como o carvão, gás natural, e gasolina e também da fissão nuclear de forma a obter calor, uma vez que quanto maior a temperatura, melhor a produção de energia. A eficiência do ciclo é limitada pelo alto calor de vaporização do fluido de trabalho. Além disso, a menos que a pressão e a temperatura alcancem níveis críticos superiores na caldeira a vapor, o máximo que a temperatura pode operar ainda é bastante pequeno: as temperaturas de entrada da turbina a vapor são tipicamente em torno de 565 ° C e as temperaturas do condensador de vapor são em torno de 30 ° C. O Ciclo Rankine é similar ao Ciclo de Carnot, pois quando se observa a eficiência de uma turbina, o diagrama TS assemelha-se ao ciclo de Carnot. As temperaturas de entrada oferecem uma eficiência teórica máxima de Carnot para a turbina a vapor isolada de cerca de 63,8% comparado com uma eficiência térmica global real de até 42% para uma moderna estação de energia a carvão. Esta baixa temperatura de entrada na turbina a vapor (comparado com uma turbina a gás) é o motivo pelo qual o ciclo de Rankine (vapor) é frequentemente usado como um ciclo de fundo para recuperar o calor rejeitado de outra forma em centrais de turbinas a gás de ciclo combinado.

Existem quatro processos num ciclo Rankine, cada um alterando as propriedades do fluido de trabalho. Estas propriedades são identificadas pelos números no diagrama acima.

Cada uma das equações a seguir pode ser obtida facilmente a 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. A bomba normalmente exige aproximadamente 1% do W da produção da turbina. W ˙ t u r b i n a m ˙ = h 2 − h 3 {\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\mathit {turbina}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{3}} W ˙ b o m b a m ˙ = h 1 − h 4 {\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\mathit {bomba}}}{\dot {m}}}=h_{1}-h_{4}} η = W ˙ t u r b i n a − W ˙ b o m b a Q ˙ c a l d e i r a {\displaystyle \eta ={\frac {{\dot {W}}_{\mathit {turbina}}-{\dot {W}}_{\mathit {bomba}}}{{\dot {Q}}_{\mathit {caldeira}}}}} Quando tratamos da eficiência de turbinas e bombas, é necessário fazer uma readequação no trabalho do ciclo.

Imagem: -EMASESA- · BY-ND · Openverse

Num ciclo 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. O fator que limita a eficiência da turbina a vapor é a formação de gotículas de água. Conforme a água condensa, as gotas atingem as lâminas da turbina e causam corrosão e erosão, o que acaba diminuindo lentamente a vida útil das lâminas e a eficiência da turbina. Esse problema pode ser evitado através do superaquecimento do vapor.

Pode-se melhorar a eficiência termodinâmica geral de um ciclo através do aumento de sua temperatura média de entrada de calor. Um modo de fazer isto é aumentando a temperatura na região de superaquecimento do vapor. Além disso, existem variações do ciclo básico com o mesmo objetivo. Duas destas variações do ciclo Rankine serão descritas abaixo.

Imagem: Odbong · CC0 · Openverse

O ciclo Rankine Orgânico (ORC) é um processo que converte energia térmica em trabalho útil através da transferência de calor de um meio de alta temperatura para um meio de baixa temperatura. Equipamentos ORC são semelhantes aos que possuem o ciclo de Rankine a vapor , com a diferença de que estes podem usar fluidos de alta massa molecular, como o n-pentano ou o tolueno, no lugar de vapor. Estes fluidos apresentam pontos de ebulição menores do que a água, aproveitando assim de fontes de temperaturas mais baixas. Embora a eficiência do ciclo não seja alta, já que a variação de temperatura é pequena, o baixo custo envolvido na captação do calor nesta temperatura pode compensar. Também pode-se utilizar de fluidos com pontos de ebulição acima do da água, aumentando a eficiência e trazendo benefícios termodinâmicos, como acontece na turbina de vapor de mercúrio. Embora possua o nome de “ciclo orgânico”, o ciclo Rankine não precisa necessariamente utilizar o fluido funcional de sua definição, de modo que o nome é apenas marketing e o ciclo não é um ciclo termodinâmico separado.

Fluido supercrítico é toda substância a temperatura e pressão acima do seu ponto crítico, de modo que não há mais distinção entre as fases líquida e gasosa. Este fluido é capaz de sofrer efusão através de sólidos, como um gás, e de solubilizar materiais, como um líquido. Além disso, por volta do ponto crítico, todas as mudanças de pressão e temperatura influenciam bastante na densidade, permitindo ajustes em suas propriedades. Também podem substituir solventes orgânicos em uma vários processos industriais e laboratoriais. Os fluidos supercríticos mais usados são Dióxido de Carbono e água. Usando estes fluidos, o ciclo de Rankine é aplicado combinando os conceitos de regeneração de calor e ciclo de Rankine supercrítico, em um processo unificado chamado Ciclo Regenerativo de ciclo Supercrítico (RGCS), otimizado para fontes de temperaturas entre 125 e 450°C.