Ciclo de Rankine: O que é? (Ideal vs. Real + Diagrama T-s)
O que é o Ciclo de Rankine?
O Ciclo de Rankine é um ciclo mecânico comumente usado em usinas de energia para converter a energia de pressão do vapor em energia mecânica através de turbinas a vapor. Os principais componentes do Ciclo de Rankine incluem uma turbina a vapor rotativa, uma bomba de caldeira, um condensador estacionário e uma caldeira.
Uma caldeira é usada para aquecer a água para produzir vapor na pressão e temperatura necessárias de acordo com a exigência da turbina para geração de energia.
O exaustor da turbina é direcionado para o condensador de fluxo radial ou axial para condensar o vapor em condensado e reciclá-lo de volta à caldeira através de bombas de caldeira para aquecimento novamente.
Isso pode fazer mais sentido se dermos um passo atrás e entendermos como funciona um ciclo típico de usina de energia.
Ciclo Típico de Usina de Energia
A energia elétrica é gerada usando usinas de energia a vapor, utilizando carvão, lignito, diesel, óleo pesado de forno, como combustível, dependendo da disponibilidade e custo. O esquema de fluxo do ciclo de energia a vapor é dado abaixo:
Toda a usina de energia pode ser dividida nos seguintes sub-sistemas.
Sub-sistema A: Classificado como os principais componentes da usina de energia (Turbina, Condensador, Bomba, Caldeira) para geração de energia.
Sub-sistema B: Classificado como a chaminé, de onde os gases de resíduos são exauridos para a atmosfera.
Sub-sistema C: Classificado como um gerador elétrico para converter energia mecânica em energia elétrica.
Sub-sistema D: Classificado como o sistema de água de resfriamento para absorver o calor do vapor rejeitado no condensador e mudar a fase do vapor para líquido (condensado).
Vamos analisar o sub-sistema dentro deste ciclo de usina de energia que lida com o ciclo de Rankine.
Muitas das limitações práticas relacionadas ao ciclo de Carnot podem ser convenientemente superadas no ciclo de Rankine.
Ciclo de Rankine Ideal
Em um ciclo a vapor, se o fluido de trabalho em um ciclo a vapor passa por vários componentes da usina de energia sem irreversibilidade e queda de pressão friccional, então o ciclo é chamado de Ciclo de Rankine Ideal.
O ciclo de Rankine é o ciclo operacional básico para todas as usinas de energia onde um fluido de trabalho está continuamente mudando sua fase de líquido para vapor e vice-versa.
Os diagramas (p-h) e (T-s) são úteis para entender o funcionamento do ciclo de Rankine, juntamente com a descrição dada abaixo:
1-2-3 Transferência de Calor Isobárica ou Adição de Calor a Pressão Constante em uma Caldeira
A caldeira é um grande trocador de calor onde o combustível liberador de calor, como carvão, lignito ou óleo, transfere indiretamente o calor para a água sob pressão constante. A água entra na caldeira a partir da bomba de alimentação da caldeira como um líquido comprimido no estado-1 e é aquecida até a temperatura de saturação, conforme mostrado no diagrama T-s no estado-3.
O balanço de energia na caldeira é ou energia adicionada no gerador de vapor,
qin= h3-h1
3-4 Expansão Isentrópica ou Expansão isentrópica em uma turbina
O vapor da saída da caldeira entra na turbina no estado 3, onde expande isentrópicamente sobre as pás fixas e móveis da turbina para produzir trabalho na forma de rotação mecânica do eixo da turbina, que está conectado ao gerador elétrico.
Trabalho fornecido pela turbina (Desconsiderando a transferência de calor com o ambiente)
Wturbina out= h3-h4
4-5 Rejeição de Calor Isobárica ou Rejeição de calor a pressão constante no condensador
No estado-4, o vapor entra no condensador. A mudança de fase ocorre quando o vapor é condensado para líquido sob pressão constante no condensador, transferindo o calor do vapor para o fluxo de água circulante através dos tubos do condensador. A mudança de fase ocorre no condensador, e o fluido de trabalho que sai do condensador está em estado líquido e marcado como ponto 5.
Energia rejeitada no condensador, qout= h4-h5
5-1 Compressão Isentrópica ou Compressão isentrópica em uma bomba
A água sai do condensador no estado 5 e entra na bomba. Esta bomba eleva a pressão da água, imprimindo trabalho durante os processos. Em unidades de menor tamanho e baixo volume específico, este pequeno trabalho pode ser negligenciado em comparação com o trabalho de saída de uma turbina a vapor.
Trabalho realizado na bomba por kg de água, W51= h5-h1.
