Técnicas de Melhoria da Eficiência do Ciclo Rankine

As usinas termoelétricas ainda são o alicerce da geração total de energia na Ásia-Pacífico. Assim, mesmo uma pequena melhoria no sentido de aumentar a eficiência tem um efeito tremendo na economia de combustível e também na redução das emissões de gases de efeito estufa.

Portanto, não se deve perder nenhuma oportunidade para descobrir maneiras e meios de aumentar a eficiência do ciclo termoelétrico.

A ideia por trás de qualquer melhoria ou modificação é aumentar a eficiência térmica da usina. Portanto, as técnicas de melhoria da eficiência térmica são:

• Diminuindo a temperatura média na qual o calor é rejeitado do fluido de trabalho (vapor) no condensador. (Reduzindo a pressão do condensador)

• Aumentando a temperatura do vapor que entra na turbina

Redução da Pressão do Condensador

O vapor sai da turbina e entra no condensador como uma mistura saturada, conforme a pressão correspondente do vapor no condensador. Reduzir a pressão do condensador sempre ajuda a fornecer mais trabalho útil na turbina, pois permite maior expansão do vapor na turbina.

Com a ajuda do diagrama T-s, pode-se ver e entender o efeito da redução da pressão do condensador no desempenho do ciclo.

Efeitos Positivos da Redução da Pressão do Condensador

Para aproveitar a vantagem de maior eficiência, o Ciclo Rankine tem que operar com pressão do condensador abaixo da atmosférica. No entanto, o limite para a pressão do condensador é definido pela temperatura da água de resfriamento correspondente à pressão de saturação da área.

No diagrama T-s acima, pode-se ver facilmente que a área colorida é o aumento na produção de trabalho líquido devido à redução da pressão do condensador de P4 para P4’.

Efeitos Negativos da Redução da Pressão do Condensador

O efeito da redução da pressão do condensador não vem sem efeitos colaterais. Portanto, os seguintes são os efeitos adversos da redução da pressão do condensador:

• Entrada adicional de calor na caldeira devido à diminuição da temperatura de recirculação do condensado (efeito da menor pressão do condensador)

• Com a pressão do condensador menor, aumenta a possibilidade de aumento do teor de umidade no vapor na etapa final de expansão da turbina. A diminuição da fração de secura do vapor nas etapas finais da turbina é indesejável, pois resulta em uma ligeira diminuição da eficiência e erosão das pás da turbina.

Efeitos Líquidos da Redução da Pressão do Condensador

O efeito líquido geral é mais positivo, pois o aumento na exigência de entrada de calor na caldeira é marginal, mas o aumento na produção de trabalho líquido é maior devido à diminuição da pressão do condensador. Além disso, a fração de secura do vapor nas etapas finais da turbina não é permitida cair além de 10-12%.

Aquecimento Super do Vapor a Temperaturas Mais Altas

O aquecimento super do vapor é o fenômeno no qual o calor é transferido ao vapor para superaquecer o vapor a temperaturas mais altas, mantendo a pressão constante na caldeira.

A área sombreada no diagrama T-s acima mostra claramente o aumento no trabalho líquido (3-3’-4’-4) devido ao aumento da temperatura de superaquecimento do vapor.

A entrada adicional de calor na forma de energia, deixa o ciclo como trabalho, isto é, o aumento na saída de trabalho supera a entrada de calor adicional e a rejeição de calor. A eficiência térmica do ciclo Rankine aumenta devido ao aumento da temperatura do vapor.

Efeitos Positivos do Aumento da Temperatura do Vapor

Um efeito desejável do aumento da temperatura do vapor é que ele não permite que o percentual de umidade no último estágio do vapor aumente. Este efeito pode ser facilmente visto no diagrama T-s (Fig:2) acima.

Efeitos Negativos do Aumento da Temperatura do Vapor

O aumento da temperatura do vapor resulta em um pequeno aumento na entrada de calor. Há um limite para o qual o vapor pode ser superaquecido e usado no ciclo de energia. Esses fatores limitantes estão relacionados à viabilidade metálica em alta temperatura e economicamente.

Atualmente, nas unidades geradoras de energia supracríticas, a temperatura do vapor na entrada da turbina é em torno de 620°C. A decisão de qualquer aumento adicional na temperatura do vapor só pode ser tomada judiciosamente após a realização de uma diligência metálica adequada e avaliação dos impactos de custo.

Efeitos Líquidos do Aumento da Temperatura do Vapor

Do diagrama T-s (Fig:2), o efeito líquido do aumento da temperatura é mais positivo, porque o ganho na saída de trabalho supera o aumento na entrada de calor e o ligeiro aumento na rejeição de calor. Portanto, é sempre benéfico aumentar a temperatura do vapor após avaliar a confiabilidade e a viabilidade econômica.

Aumento da Pressão da Caldeira com Parâmetros Subcríticos

Uma maneira alternativa de aumentar a eficiência do ciclo Rankine é aumentando a pressão de operação da caldeira e, assim, de certa forma, relacionada com a temperatura na qual a ebulição está ocorrendo na caldeira. Dessa forma, a eficiência térmica do ciclo aumenta.
Com a ajuda do diagrama T-s, o efeito do aumento da pressão da caldeira no desempenho do ciclo pode ser claramente visto e compreendido.

Devido ao aumento da pressão da caldeira, o ciclo Rankine se desloca ligeiramente para a esquerda, como mostrado na Fig:3 no diagrama T-s, e, portanto, o seguinte pode ser concluído a partir dele:

• Aumento substancial no trabalho líquido, como mostrado na área sombreada de cor rosa na figura acima.

• Como o ciclo se desloca ligeiramente para a esquerda, há uma diminuição no trabalho líquido durante a expansão do vapor na turbina. (como mostrado na Fig:3 acima, sombreado em cinza.

• Redução na rejeição de calor para a água de resfriamento no condensador.

Portanto, o efeito líquido é um aumento marcante na eficiência térmica do ciclo devido a essas medidas.

Aumento da Pressão da Caldeira com Parâmetros Supercríticos

Para aumentar a eficiência térmica do ciclo Rankine, a pressão supercrítica é usada nos geradores de vapor utilizados atualmente. Quando os geradores de vapor operam acima de 22,06 MPa, eles são chamados de geradores de vapor supercríticos e a planta é chamada de planta de geração de energia supercrítica. Devido às pressões de operação mais altas, essas plantas são conhecidas por oferecer maiores eficiências.

Ciclo Rankine de Reaquecimento

Ciclo Rankine de Reaquecimento é para tirar proveito da eficiência do ciclo aumentada em pressões mais altas da caldeira, sem comprometer o conteúdo de umidade do vapor nas últimas etapas da turbina.

Maior eficiência do ciclo é possível com o ciclo de reaquecimento, sem comprometer a fração de secura, isso é possível expandindo o vapor na turbina em duas etapas, reaquecendo-o entre elas. O reaquecimento é uma maneira praticamente aceitável de lidar com o problema de umidade excessiva nas últimas etapas da turbina.

Forma Teórica de Reduzir a Umidade da Última Etapa

Teoricamente, uma maneira é superaquecer o vapor a uma temperatura mais alta antes que ele entre na turbina, mas há um limite acima do qual as limitações metalú