Ciclo de Rankine - Rankine cycle

Layout físico do ciclo Rankine
1. Bomba , 2. Caldeira , 3. Turbina , 4. Condensador

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

Diagrama T – s de um ciclo Rankine típico operando entre pressões de 0,06 bar e 50 bar. À esquerda da curva em forma de sino está o líquido, à direita dele está o gás e abaixo dela está o equilíbrio líquido-vapor saturado.

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)

Ciclo de Rankine com superaquecimento

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

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

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

Referências