Ciclo de Rankine - Rankine cycle
Termodinâmica |
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O ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o processo pelo qual certos motores térmicos , como turbinas a vapor ou motores a vapor alternativos, permitem que o trabalho mecânico seja extraído de um fluido à medida que ele se move entre uma fonte de calor e um dissipador de calor . O ciclo Rankine tem o nome de William John Macquorn Rankine , um professor polímata escocês da Universidade de Glasgow .
A energia térmica é fornecida ao sistema por meio de uma caldeira onde o fluido de trabalho (normalmente água) é convertido em um estado gasoso de alta pressão (vapor) para girar uma turbina . Depois de passar pela turbina, o fluido pode condensar de volta ao estado líquido, pois a energia do calor residual é rejeitada antes de ser devolvida à caldeira, completando o ciclo. As perdas por fricção em todo o sistema são freqüentemente negligenciadas com o propósito de simplificar os cálculos, já que essas perdas são geralmente muito menos significativas do que as perdas termodinâmicas, especialmente em sistemas maiores.
Descrição
O ciclo Rankine descreve de perto o processo pelo qual os motores a vapor comumente encontrados em usinas de geração de energia térmica aproveitam a energia térmica de um combustível ou outra fonte de calor para gerar eletricidade. Possíveis fontes de calor incluem a combustão de combustíveis fósseis como carvão , gás natural ou petróleo , combustíveis renováveis como biomassa ou etanol , fissão nuclear e energia solar concentrada . Os dissipadores de calor comuns incluem o ar ambiente acima ou ao redor de uma instalação e corpos d'água, como rios, lagoas e oceanos.
A capacidade de um motor Rankine de aproveitar a energia depende da diferença de temperatura relativa entre a fonte de calor e o dissipador de calor. Quanto maior o diferencial, mais potência mecânica pode ser eficientemente extraída da energia térmica, de acordo com o teorema de Carnot .
A eficiência do ciclo Rankine é limitada pelo alto calor de vaporização do fluido de trabalho. A menos que a pressão e a atingir a temperatura de super críticos níveis na caldeira, a gama de temperaturas que o ciclo pode operar ao longo é muito pequeno: temperaturas de entrada da turbina a vapor são tipicamente cerca de 565 ° C e as temperaturas de condensação são de cerca de 30 ° C. Isso dá uma eficiência máxima teórica de Carnot para a turbina sozinha de cerca de 63,8% em comparação com uma eficiência térmica geral real de menos de 50% para centrais elétricas típicas. Essa baixa temperatura de entrada da turbina a vapor (em comparação com uma turbina a gás ) é o motivo pelo qual o ciclo Rankine (vapor) é frequentemente usado como um ciclo de fundo para recuperar o calor rejeitado de outra forma em usinas de turbinas a gás de ciclo combinado .
Os motores Rankine geralmente operam em um circuito fechado onde o fluido de trabalho é reutilizado. O vapor de água com gotículas condensadas frequentemente vistas em ondas em usinas de energia é criado pelos sistemas de resfriamento (não diretamente do ciclo de energia Rankine de circuito fechado). Esse calor de 'exaustão' é representado pela " saída Q " fluindo do lado inferior do ciclo mostrado no diagrama T abaixo. As torres de resfriamento operam como grandes trocadores de calor, absorvendo o calor latente de vaporização do fluido de trabalho e, simultaneamente, evaporando a água de resfriamento para a atmosfera.
Embora muitas substâncias possam ser usadas como fluido de trabalho, a água geralmente é escolhida por sua química simples, abundância relativa, baixo custo e propriedades termodinâmicas . Ao condensar o vapor de vapor de trabalho em um líquido, a pressão na saída da turbina é reduzida e a energia exigida pela bomba de alimentação consome apenas 1% a 3% da potência de saída da turbina e esses fatores contribuem para uma maior eficiência do ciclo. O benefício disso é compensado pelas baixas temperaturas do vapor admitido na (s) turbina (s). As turbinas a gás , por exemplo, têm temperaturas de entrada da turbina próximas de 1500 ° C. No entanto, a eficiência térmica de grandes usinas de energia a vapor e grandes estações de turbinas a gás modernas são semelhantes.
Os quatro processos do ciclo Rankine
Existem quatro processos no ciclo Rankine. Os estados são identificados por números (em marrom) no diagrama T – s .
- Processo 1–2 : 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. O processo 1-2 é a compressão isentrópica.
- Processo 2–3 : O líquido de alta pressão entra em uma caldeira, onde é aquecido a pressão constante por uma fonte externa de calor para se tornar um vapor seco saturado. A energia de entrada necessária pode ser facilmente calculada graficamente, usando um gráfico de entalpia-entropia ( gráfico h-s ou diagrama de Mollier ), ou numericamente, usando tabelas de vapor ou software. O processo 2-3 é a adição de calor de pressão constante na caldeira.
- Processo 3-4 : O vapor saturado seco se expande através de uma turbina , gerando energia. Isso diminui a temperatura e a pressão do vapor e pode ocorrer alguma condensação. A saída neste processo pode ser facilmente calculada usando o gráfico ou as tabelas mencionadas acima. O processo 3-4 é a expansão isentrópica.
- Processo 4–1 : O vapor úmido então entra em um condensador , onde é condensado a uma pressão constante para se tornar um líquido saturado . O processo 4-1 é a rejeição de calor de pressão constante no condensador.
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 T e mais parecidos com o do ciclo de Carnot . O ciclo Rankine mostrado aqui evita que o estado do fluido de trabalho termine na região de vapor superaquecido após a expansão na turbina, o que reduz a energia removida pelos condensadores.
O ciclo real de energia do vapor difere do ciclo Rankine ideal por causa das irreversibilidades nos componentes inerentes causadas pelo atrito do fluido e perda de calor para o ambiente; a fricção do fluido causa quedas de pressão na caldeira, no condensador e na tubulação entre os componentes e, como resultado, o vapor sai da caldeira com uma pressão mais baixa; a perda de calor reduz a produção líquida de trabalho, portanto, a adição de calor ao vapor na caldeira é necessária para manter o mesmo nível de produção líquida de trabalho.
Variáveis
Taxa de fluxo de calor de ou para o sistema (energia por unidade de tempo) | |
Taxa de fluxo de massa (massa por unidade de tempo) | |
Energia mecânica consumida ou fornecida ao sistema (energia por unidade de tempo) | |
Eficiência termodinâmica do processo (saída de potência líquida por entrada de calor, adimensional) | |
Eficiência isentrópica dos processos de compressão (bomba de alimentação) e expansão (turbina), adimensional | |
As " entalpias específicas " nos pontos indicados no diagrama T-s | |
A " entalpia específica" final do fluido se a turbina fosse isentrópica | |
As pressões antes e depois do processo de compressão |
Equações
Em geral, a eficiência de um ciclo simples de rank pode ser escrita como
Cada uma das próximas quatro equações é derivada do balanço de massa e energia para um volume de controle. define a eficiência termodinâmica do ciclo como a razão entre a saída de energia líquida e a entrada de calor. Como o trabalho exigido pela bomba costuma ser em torno de 1% da potência de trabalho da turbina, isso pode ser simplificado.
Ao lidar com as eficiências das turbinas e bombas, um ajuste às condições de trabalho deve ser feito:
Ciclo Rankine real (não ideal)
Em um ciclo de usina real (o nome de ciclo "Rankine" é usado apenas para o ciclo ideal), a compressão pela bomba e a expansão na turbina não são isentrópicas. Em outras palavras, esses processos são irreversíveis e a entropia é aumentada durante os dois processos. Isso aumenta um pouco a potência exigida pela bomba e diminui a potência gerada pela turbina.
Em particular, a eficiência da turbina a vapor será limitada pela formação de gotículas de água. Conforme a água se condensa, as gotas de água atingem as pás da turbina em alta velocidade, causando corrosão e corrosão, diminuindo gradualmente a vida útil das pás da turbina e a eficiência da turbina. A maneira mais fácil de superar esse problema é superaquecer o vapor. No diagrama T acima, o estado 3 está na fronteira da região bifásica do vapor e da água, portanto, após a expansão, o vapor estará muito úmido. Por superaquecimento, o estado 3 se moverá para a direita (e para cima) no diagrama e, portanto, produzirá um vapor mais seco após a expansão.
Variações do ciclo básico de Rankine
O global eficiência termodinâmica pode ser aumentada através do aumento da média de calor de entrada temperatura
desse ciclo. Aumentar a temperatura do vapor na região de superaquecimento é uma maneira simples de fazer isso. Existem também variações do ciclo básico de Rankine projetado para aumentar a eficiência térmica do ciclo dessa maneira; dois deles são descritos abaixo.
Ciclo de Rankine com reaquecimento
O objetivo de um ciclo de reaquecimento é remover a umidade transportada pelo vapor nos estágios finais do processo de expansão. Nesta variação, duas turbinas trabalham em série. O primeiro aceita o vapor da caldeira em alta pressão. Depois que o vapor passa pela primeira turbina, ele entra novamente na caldeira e é reaquecido antes de passar por uma segunda turbina de baixa pressão. As temperaturas de reaquecimento são muito próximas ou iguais às temperaturas de entrada, enquanto a pressão de reaquecimento ideal necessária é apenas um quarto da pressão original da caldeira. Entre outras vantagens, isso evita que o vapor se condense durante sua expansão e, assim, reduz os danos nas pás da turbina, e melhora a eficiência do ciclo, porque mais fluxo de calor no ciclo ocorre em temperatura mais alta. O ciclo de reaquecimento foi introduzido pela primeira vez na década de 1920, mas não funcionou por muito tempo devido a dificuldades técnicas. Na década de 1940, ele foi reintroduzido com a crescente fabricação de caldeiras de alta pressão e, eventualmente, o reaquecimento duplo foi introduzido na década de 1950. A ideia por trás do reaquecimento duplo é aumentar a temperatura média. Observou-se que mais de duas etapas de reaquecimento geralmente são desnecessárias, uma vez que a etapa seguinte aumenta a eficiência do ciclo em apenas metade do que a etapa anterior. Hoje, o reaquecimento duplo é comumente usado em usinas que operam sob pressão supercrítica.
Ciclo regenerativo de Rankine
O ciclo regenerativo de Rankine tem esse nome porque, após emergir do condensador (possivelmente como um líquido sub - resfriado ), o fluido de trabalho é aquecido por vapor extraído da parte quente do ciclo. No diagrama mostrado, o fluido em 2 é misturado com o fluido em 4 (ambos na mesma pressão) para terminar com o líquido saturado em 7. Isso é chamado de "aquecimento por contato direto". O ciclo Regenerativo Rankine (com variantes menores) é comumente usado em centrais elétricas reais.
Outra variação envia o vapor de sangria entre os estágios da turbina para aquecedores de água de alimentação para pré-aquecer a água em seu caminho do condensador para a caldeira. Esses aquecedores não misturam o vapor de entrada e o condensado, funcionam como um trocador de calor tubular comum e são chamados de "aquecedores de água de alimentação fechados".
A regeneração aumenta a temperatura de entrada de calor do ciclo eliminando a adição de calor da caldeira / fonte de combustível nas temperaturas da água de alimentação relativamente baixas que existiriam sem o aquecimento regenerativo da água de alimentação. Isso melhora a eficiência do ciclo, pois mais fluxo de calor para o ciclo ocorre em temperaturas mais altas.
Ciclo orgânico de Rankine
O ciclo de Rankine orgânico (ORC) usa um fluido orgânico como n-pentano ou tolueno no lugar de água e vapor. Isso permite o uso de fontes de calor de baixa temperatura, como tanques solares , que normalmente operam em torno de 70–90 ° C. A eficiência do ciclo é muito mais baixa como resultado da faixa de temperatura mais baixa, mas isso pode valer a pena por causa do custo mais baixo envolvido na coleta de calor nessa temperatura mais baixa. Alternativamente, podem ser usados fluidos com pontos de ebulição acima da água, e isso pode ter benefícios termodinâmicos (ver, por exemplo, turbina a vapor de mercúrio ). As propriedades do próprio fluido de trabalho têm grande influência na qualidade do vapor (vapor) após a etapa de expansão, influenciando o desenho de todo o ciclo.
O ciclo Rankine não restringe o fluido de trabalho em sua definição, então o nome "ciclo orgânico" é simplesmente um conceito de marketing e o ciclo não deve ser considerado como um ciclo termodinâmico separado.
Ciclo Supercrítico de Rankine
O ciclo Rankine aplicado usando um fluido supercrítico combina os conceitos de regeneração de calor e ciclo Rankine supercrítico em um processo unificado denominado ciclo supercrítico regenerativo (RGSC). É otimizado para fontes de temperatura 125–450 ° C.
Veja também
- Perda de energia no modo de cogeração com extração de vapor
Referências
- ^ Van Wyllen 'Fundamentos de termodinâmica' (ISBN 85-212-0327-6)
- ^ Wong 'Thermodynamics for Engineers', 2ª ed., 2012, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, Londres, Nova York. (ISBN 978-1-4398-4559-2)
- Moran & Shapiro 'Fundamentals of Engineering Thermodynamics' ( ISBN 0-471-27471-2 )
- Termodinâmica de Engenharia da Wikilivros