O Ciclo de Rankine

ESAMC – ESCOLA SUPERIOR DE ADMINISTRAÇÃO MARKETING E COMUNICAÇÃO

CICLO DE RANKINE E RADIAÇÃO

GABRIELY DE PONTES TEIXEIRA  RA:101170029

PROFª MARIANA RICKEN – GERAÇÃO DE ENERGIA

CAMPINAS

2019

INTRODUÇÃO

Thomas Savery no ano de 1968 realizou estudos onde funcionaria a aplicação do vapor, no meio de todo esse trabalho gerou motores alternativos contribuindo para a revolução industrial. O desenvolvimento das turbinas vaporizadas demorou mas uma vez iniciada, foi extremamente rápido.

Carl Gustav foi o primeiro a construir as turbinas vaporizadas entre o final do século XVIII.

A geração de energia elétrica através do vapor é baseada nos seguintes equipamentos:

• Queimador;
• Caldeira;
• Turbina;
• Gerador
• Condensador;
• Trocador de Calor
• Bomba

[pic 1]

Toda a complexidade desse sistema, foi estudado pela termodinâmica pelo conceito do ciclo de Rankine.

CÍCLO DE RANKINE 

Este ciclo estudado pela termodinâmica tem o objetivo de produzir energia através de vapor. Ou seja, é processado através de um motor onde ocorre a transformação de energia térmica para energia mecânica. É baseado no fato de que a contração de um gás ao ser condensado se expande quando evaporado realizando um trabalho mecânico, então ocorre uma transição de fases: condensação e evaporação.

Os quatro componentes principais para esse processo são: caldeira, turbina, condensador e bomba. Inicialmente o fluido vai sair da caldeira e dirige-se para a turbina onde se faz o seu trabalho, assim terminado a turbina encaminha o fluido para o condensador que sofre algumas operações ali dentro, logo após o fluido se dirige para a bomba onde sofre outro processamento e assim retorna para caldeira, conforme mostrado abaixo:

[pic 2][pic 3][pic 4]

Iniciando o processo, teremos que fornecer calor para o nosso fluido através da caldeira depois disso é transferido para a turbina onde realiza o trabalho (W) para produzir energia elétrica, por exemplo. Chegando ao condensador, ele é responsável por retirar o calor inserido, porque enquanto a turbina fazia seu trabalho, no momento em que o fluido é transportado, chega ao condensador na forma de vapor+liquido, retirando-se o calor o condensador deixa o fluido somente no estado líquido, pois se transpassar vapor para a bomba que seria a fase seguinte pode trazer danos ao equipamento. Transferido para a bomba, utiliza-se trabalho para ocorrer a movimentação do fluido, saindo da bomba retorna novamente a caldeira, a mesma insere calor transformando o fluido em vapor e assim sucessivamente.

Baseando-se nesse sistema, foi pontuado no esquema mostrado acima alguns pontos, esses pontos são os estados em que o fluido se encontra na tubulação. Considerando que o ponto de entrada é o mesmo ponto de saída entre uma transição e outra do fluido, já que não é considerado nenhuma perda de energia ou pressão em tubulações, isso seria um ciclo de Rankine ideal.

O primeiro ponto a ser comentado será o ponto 1, na entrada da turbina onde é o mesmo ponto da saída da caldeira, o estado em que o fluido se encontra nesses pontos é no estado de vapor superaquecido submetido a pressão alta, com uma grande energia. Então passando pelo processo da turbina onde é feito a expansão do fluido é encontrado o ponto 2, nessa expansão acontece que a pressão naquele momento cai, porque utilizou da energia do nosso fluido, então ele se encontra no estado de vapor saturado. E no momento que é transferido para a bomba no estado líquido a pressão se mantém ficando no estado de líquido saturado no ponto 3, e a bomba faz trabalho e insere energia novamente para o nosso fluido aumentando assim a pressão, voltando para a caldeira no ponto 4. Representado abaixo o gráfico de pressão atingida pelo nosso fluido em cada ponto:

[pic 5]

Como calcular todos os calores trocados e os trabalhos?

Aplicaremos a primeira lei da termodinâmica em todos os componentes, como se fosse volume de controle como se fosse massa entrando em um componente, por exemplo na turbina como teremos massa saindo também. Consideramos em regime permanente acontecendo, mas para calcular o valor dos calores trocados ali dentro é aplicado a primeira lei.

No ponto 1 do nosso fluido teremos T1,P1,S1 onde T1 representa tempo, P1 pressão no ponto 1 e S1 entropia, o exercício que será resolvido terá que fornecer essas informações para podermos começar a resolver já que é o começo do processo acontecendo onde temos o estado de vapor superaquecido. No ponto 2 teremos T2, P2, X2 onde os dois primeiros termos é representado por temperatura e pressão e o X2 é um título que representa a fase de vapor+liquido. No ponto 3 teremos a variável X3=0 já que o calor foi retirado do fluido e só resta a parte líquida. No ponto 4 ocorre a transferência do fluido isentropicamente e nesse mesmo ponto algumas variáveis são igualadas, mostradas a seguir:

[pic 6]

Então calculando a variação de entalpia da bomba teremos, um processo incompressível e isentrópico:[pic 7]

S4 = S3[pic 8][pic 9]

   H4 – H3 = 3ʃ4 v dP[pic 10]

[pic 11]

H4 – H3 = V3 (P4- P3)

Então para os outros componentes fazemos o seguinte:

Caldeira:

Qcaldeira = ṁ (h1-h4)

Turbina:

ẇturbina = ṁ(h1-h2)

Condensador:

Qcond = ṁ (h3-h2)

Bomba:

H4 – H3 = ṁ [v3(P4-P3)]

Eficiência:

[pic 12]

CICLO DE RANKINE COM SUPERAQUECIMENTO

No ciclo de Rankine, aprendemos que o vapor saturado se expande na turbina isoentrópica, e nesse processo é condensado  vapor, e na saída do equipamento teremos uma mistura de vapor+liquido. Com isso ocorre um problema: a presença de uma grande quantidade de gotículas  de fluido irá causar erosão nas pás das turbinas, e isso deve-se evitar.