Ciclo de Rankine. A conversão de calor em trabalho e seus usos
O ciclo de Rankine é um ciclo termodinâmico composto de duas transformações isentrópicas e duas isóbaras. Seu objetivo é transformar calor em trabalho por meio de um trocador de calor. É a base do projeto de motores a vapor de qualquer tipo.
Em um processo isentrópico, a entropia do sistema permanece constante, enquanto em um processo isobárico o que permanece constante é a pressão.
O ciclo de Rankine pode ser:
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Ciclo aberto de Rankine, com lançamento de vapor na atmosfera (como por exemplo, as antigas locomotivas a vapor).
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Ciclo fechado de Rankine, como no caso das termelétricas. Em ciclos fechados, o calor residual da condensação do vapor pode ser aproveitado por meio da cogeração.
Como funciona o ciclo Rankine?
O ciclo Rankine funciona com quatro processos termodinâmicos. Os estados são identificados por números (em marrom) no diagrama T - S (temperatura - entropia).
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Processo 1-2: compressão isentrópica na bomba. O fluido de trabalho é bombeado de baixa para alta pressão. Como o fluido é um líquido neste estágio, a bomba requer pouca energia de entrada.
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Processo 2-3: adicionar calor a pressão constante na caldeira. O líquido em alta pressão entra em uma caldeira, onde é aquecido a pressão constante por meio de um processo isobárico por uma fonte externa de calor para se tornar um vapor seco saturado. Nesta fase, ocorre uma mudança de fase da água do estado líquido para o gasoso.
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Processo 3-4: expansão isentrópica na turbina. O vapor seco saturado se expande por meio de uma turbina a vapor, gerando energia. Do ponto de vista termodinâmico, isso diminui a temperatura e a pressão do vapor, e pode ocorrer alguma condensação.
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Processo 4-1: rejeição de calor de pressão constante no condensador, processo isobárico. O vapor úmido entra em um condensador, onde se condensa a uma pressão constante para se tornar um líquido saturado.
Em um ciclo Rankine ideal, a bomba e a turbina seriam isentrópicas. Ou seja, a bomba e a turbina não gerariam entropia e, portanto, maximizariam a produção líquida de trabalho. Os processos 1-2 e 3-4 seriam representados por linhas verticais no diagrama TS e se pareceriam mais com o ciclo de Carnot.
O ciclo Rankine mostrado aqui evita que o estado do fluido de trabalho termine na região do vapor superaquecido após a expansão na turbina a vapor. Nesse caso, a energia removida pelos capacitores é reduzida.
O ciclo real de energia a vapor difere do ciclo Rankine ideal devido às irreversibilidades causadas pelo atrito do fluido e perda de calor para o ambiente. O atrito do fluido causa quedas de pressão durante o circuito do fluido. Por sua vez, a perda de calor reduz a produção líquida de trabalho e requer a adição de calor ao vapor.
Para que é usado o ciclo Rankine?
O ciclo descreve o funcionamento de máquinas térmicas em usinas termelétricas. As fontes usuais de calor para essas usinas são combustíveis fósseis, energia solar ou combustível nuclear.
Embora um ciclo Rankine possa funcionar com várias substâncias, a água costuma ser usada devido a várias propriedades favoráveis. Essas usinas utilizam a água como fluido do motor, seja na forma líquida, seja na forma de vapor ou gás, com a chamada turbina a vapor.
As temperaturas relativamente baixas no ciclo de Rankine significam que este ciclo é usado como um ciclo de baixa temperatura em usinas térmicas operando após um ciclo combinado de vapor e gás.
Por outro lado, está rapidamente caindo em desuso no campo da tração ferroviária e da propulsão marítima, suplantada pelo motor a diesel e pelo motor elétrico.
