Ciclo Rankine

INTRODUÇÃO

O Ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico, onde sua eficiência máxima é obtida através da eficiência de um Ciclo de Carnot, tem como objetivo demonstrar os diferentes tipos de Ciclo Rankine existentes, pois cada ciclo tem a sua finalidade e importância na termodinâmica.

O 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,

Considere um ciclo baseado em quatro processo que ocorre em regime permanente (fig. 1.1). Admita que o estado 1 seja líquido saturado e o 3 seja vapor saturado ou superaquecido. Este ciclo recebe a denominação de ciclo de Rankine e é o ideal para uma unidade motora simples a vapor. A fig. 1.1 apresenta o dia grama T-s referente ao ciclo e os processo que compõe o ciclo são:

1-2: Processo de bombeamento adiabático reversível , na bomba.

2-3: Transferência de calor a pressão constante, na caldeira.

3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (ou em outra máquina motora tal com a máquina a vapor).

4-1: Transferência de calor a pressão constante, no condensador .

O ciclo de rankine, como já foi exposto, também pode apresentar superaquecimento de vapor, como o ciclo 1-2-3’4’-1.

Se as variações de energia cinética e potencial forem desprezadas, as transferências de calor e o trabalho líquido podem ser representadas pelas diversas áreas do diagrama T-s.

O calor transferido ao fluido de trabalho é representado pela área a-2-2’-3-3b-a e o calor transferido do fluido de trabalho pela área a-1-4-b-a. Utilizando a primeira lei da termodinâmica, podemos concluir que a área que representa o trabalho é igual a diferença entre essas duas áreas, isto é, a área 1-2-2’-3-4-1.

O rendimento térmico é definido pela relação:

térmico= wlíq = área 1-2-2’-3-4-1

qh área a-2-2’-3-b-a

Na análise do ciclo de Rankine é útil considerar que o rendimento depende da temperatura média na qual o calor é fornecido e da temperatura média na qual o calor é rejeitado. Qualquer variação que aumente a temperatura média na qual o calor é fornecido, ou que diminua a temperatura média na qual o calor é rejeitado aumentará o rendimento do ciclo de Rankine.

Devemos ressaltar que, na análise do ciclo ideais, as variações de energias cinética e potencial, de um ponto do ciclo ao outro serão desprezadas. Em geral, isso é uma hipótese razoável para os ciclos reais.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.

É evidente que o ciclo de Rankine tem um rendimento menor que o ciclo Carnot que apresenta mesmas temperaturas máxima e mínina do ciclo de Rankine, porque a temperatura média entre 2 e 2’ é menor que a temperatura durante a vaporização. Podemos então perguntar, porque escolhemos o ciclo de Rankine como ciclo ideal? Porque não escolher o ciclo de Carnot 1’-2’-3-4-1 como ciclo ideal? Podemos fornecer, pelo menos, duas razões para escolha do ciclo de Rankine. A primeira envolve o processo de bombeamento. O estado 1’ é uma mistura de líquido e vapor e é muito difícil constituir uma bomba que opere convenientemente sendo alimentada como uma mistura de líquido e vapor (1’) e que fornece líquido saturado na seção de descarga (2’). É muito mais fácil condensar completamente o vapor e trabalhar somente com o líquido na bomba (o ciclo de Rankine é baseado neste fato). A segunda razão envolve o superaquecimento do vapor. No ciclo de Rankine o vapor é super aquecido a pressão constante, processo 3-3’. No ciclo de Carnot toda transferência de calor ocorre a temperatura constante e portanto o vapor é super aquecido no processo 3-3’’. Note que durante esse processo a pressão cai. Isto significa que o calor deve ser transferido ao vapor enquanto ele sofre um processo de expansão (no qual é efetuado o trabalho). Isto também é muito difícil de ser conseguido na prática. Assim, o ciclo de Rankine é ciclo ideal que poder aproximado na prática. Consideramos, nas próximas seções, algumas variações do ciclo do Rankine que provoca o aumento do rendimento térmico do ciclo e deste modo apresentando o rendimento mais próximo ao rendimento do ciclo de Carnot.

Figura1.1- Unidade motora simples a vapor que opera um ciclo de Rankine.

Antes de discutimos a influencia de certas variáveis sobre o ciclo de Rankine, estudo os seguinte exemplos:

Exemplo 1

Determine o rendimento de um ciclo de Rankine que utiliza água como fluido de trabalho e no qual a pressão no condensador é igual a 10Kpa. A pressão na caldeira é de 2Mpa. O vapor deixa a caldeira como vapor saturado.

Na resolução dos problemas sobre os ciclo de Rankine, indicaremos o wb o trabalho na bomba por kilo grama de fluido que escoa no equipamento é por Ql o calor rejeitado pelo fluido de trabalho por quilo de fluido que escoa no equipamento.

Na solução desse problema consideramos, sucessivamente, uma superfície de controle que envolve a bomba, caldeira, turbina e condensador. Em cada caso, o modelo termodinâmico adotado é aquele associados as tabelas do vapor dado e consideramos que o processo ocorre em redime permanente (com

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