Termodinâmica.
Transformação de energia

Energia térmica I combustão.
Efeitos da termodinâmica

Entropia

Ciclo de Rankine

Ciclo de Rankine

O ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico composto por duas transformações isoentricas e duas isobares. Sua finalidade é transformar calor em trabalho. É a base do design de motores a vapor de qualquer tipo.

Este ciclo é geralmente adotado principalmente em usinas termelétricas para a produção de energia elétrica e utiliza água como fluido motor, seja na forma líquida ou na forma de vapor ou gás, com a chamada turbina a vapor. Para este uso, a água é desmineralizada e desgaseificada adequadamente.

Por outro lado, cai rapidamente em desuso no campo da tração ferroviária e da propulsão marítima, suplantado pelo motor diesel e pelo motor elétrico. Em vez disso, ainda é indispensável para equipamentos de motores nucleares (usinas de energia, submarinos e porta-aviões).

O ciclo de Rankine pode ser:

Ciclo de Rankine aberto, isto é, com a descarga de vapor na atmosfera (como era o caso das locomotivas a vapor antigas, que tinham de transportar, além do carvão, também água).

Ciclo de Rankine fechado, como no caso de usinas termelétricas, incluindo usinas de ciclo combinado. É possível explorar o calor residual da condensação de vapor (cogeração), mesmo transportando-o através de uma rede de aquecimento urbano.

Os quatro processos no ciclo Rankine

diagrama de temperatura de entropia do ciclo de Rankine

Existem quatro processos termodinâmicos no ciclo Rankine. Os estados são identificados por números (em marrom) no diagrama T - S (temperatura - entropia).

Processo 1–2: o fluido de trabalho é bombeado de baixa para alta pressão. Como o fluido é um líquido nesse estágio, a bomba requer pouca energia de entrada.

Em outras palavras, o Processo 1-2 envolve compressão isentrópica na bomba, processo isentrópico.

Processo 2–3: O líquido de alta pressão entra em uma caldeira, onde é aquecido a pressão constante por um processo isobárico por uma fonte de calor externa para se tornar um vapor seco saturado. A energia de entrada necessária pode ser facilmente calculada graficamente, usando um gráfico entalpia-entropia (gráfico hs ou diagrama Mollier), ou numericamente, usando tabelas de vapor.

Em outras palavras, o processo 2-3 é a adição de calor a pressão constante na caldeira, um processo isobárico.

Processo 3–4: O vapor seco saturado expande-se através de uma turbina a vapor, gerando energia. Do ponto de vista termodinâmico, isso reduz a temperatura e a pressão do vapor e pode ocorrer alguma condensação. A saída neste processo pode ser facilmente calculada usando o gráfico ou tabelas indicadas acima.

Em outras palavras, o processo 3-4 é uma expansão de turbina isentrópica, processo isentrópico.

Processo 4–1: vapor úmido entra em um condensador, onde se condensa a uma pressão constante para se tornar um líquido saturado.

Em outras palavras, o processo 4-1 é a rejeição do calor a pressão constante no condensador, processo isobárico.

Em um ciclo Rankine ideal, a bomba e a turbina seriam isentrópicas, isto é, a bomba e a turbina não gerariam entropia e, portanto, maximizariam a produção líquida de mão-de-obra. Os processos 1–2 e 3–4 seriam representados por linhas verticais no diagrama T-S e pareceriam mais com o ciclo Carnot. O ciclo de Rankine mostrado aqui evita que o estado do fluido de trabalho termine na região de vapor superaquecido após a expansão na turbina a vapor, o que reduz a energia eliminada pelos condensadores.

O ciclo de energia de vapor real difere do ciclo de Rankine ideal devido a irreversibilidades nos componentes inerentes causados ​​por fricção de fluido e perda de calor nos arredores; o atrito do fluido provoca quedas de pressão na caldeira, no condensador e no tubo entre os componentes e, como resultado, o vapor deixa a caldeira a uma pressão mais baixa; A perda de calor reduz a produção líquida de trabalho, portanto, a adição de calor de vapor à caldeira é necessária para manter o mesmo nível de produção líquida de trabalho.

Ciclo orgânico de Rankin

Um ciclo orgânico Rankin ou ORC é um processo de Rankin com um solvente orgânico, como propano, isobutano, isopentano ou amônia, em vez de vapor. Uma turbina é freqüentemente usada para isso. Como um solvente orgânico tem um ponto de ebulição menor do que a água, o ciclo orgânico de Rankin permite que a energia seja extraída de uma temperatura mais baixa até 100 ° C. Portanto, este ciclo é particularmente adequado para o uso de calor residual.

Princípio de funcionamento do ciclo orgânico de Rankin

O princípio de funcionamento do ciclo orgânico de Rankin é o mesmo do ciclo de Rankin: o fluido de trabalho é bombeado para uma caldeira, onde evapora, passa por um dispositivo de expansão (turbina ou outro expansor) e, em seguida, um trocador de calor do condensador, onde finalmente se condensa novamente. No ciclo ideal descrito modelo teórico do motor, expansão isentrópica e processos termodinâmicos de evaporação e condensação isobárica. Em um ciclo real, a presença de irreversibilidade reduz a eficiência do ciclo. Essas irreversibilidades ocorrem principalmente durante a expansão e nos trocadores de calor.

Irreversibilidades durante a expansão: somente parte da energia é obtida e a diferença de pressão se torna um trabalho útil. A outra parte se torna calor e se perde. A eficiência do expansor é determinada pela comparação com uma expansão por um processo isentrópico.

Irreversibilidades em trocadores de calor: o líquido percorre um caminho longo e sinuoso que garante uma boa troca de energia térmica, mas garante que a pressão diminua, resultando em menor quantidade de energia no ciclo. A diferença de temperatura entre a fonte de calor / cárter e o fluido de trabalho também gera exergia e reduz os tempos de ciclo.

No caso de um "fluido seco", o ciclo orgânico de Rankin pode ser melhorado usando um regenerador porque o fluido não atinge o estado bifásico no final da expansão, a temperatura neste ponto será maior que a temperatura de condensação. Essa temperatura mais alta pode ser usada para aquecer o líquido antes de entrar no evaporador. Portanto, um trocador de calor de refluxo é montado entre a saída do expansor e a entrada do evaporador. A potência necessária da fonte de calor é reduzida pela metade e a eficiência é aumentada.

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Última revisão: 27 de agosto de 2019