Final trabalho de Maquina ciclo de rankine

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INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DE SONGO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
CURSO DE LICENCIATURA EM ENGENHARIA ELÉCTRICA
ISPSongo |Bairro Julius Nyerere, Av. Agostinho Neto, Recinto da Escola Secun-
dária de Songo. Caixa Postal no 146.
Tel: +258 252-82336, Fax: +258 252-82338, email: secretari-
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II NÍVEL-MAQUINAS PRIMARIAS
CICLO DE TURBINAS A VAPOR.
CICLO DE RANKINE.
Autores:
Alfredo Júlio Verniz
Armando Tirano
Chislen Keilan Selena
Edilson Danilo Orlando
Docentes:
dr. Lucas Boene
Eng. Narciso Nota
Vila de Songo, Novembro de 2021
.
CICLO DE RANKINE
DOCENTES
dr. Lucas Boene Eng. Narciso Nota
Conteúdo
1 Introdução 1
2 Objectivos 2
2.1 Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3 Metodologia 2
4 Ciclo de Rankine 3
4.1 Definição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.2 Descrição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.3 Componentes principais do ciclo de Rankine . . . . . . . . . . . . . . . 3
4.4 Processos do ciclo de Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.5 Vantagens e desvantagens de uma usina termelétrica . . . . . . . . . . 7
4.6 Análise Energética do Ciclo de Rankine Ideal . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.7 Ciclo de Rankine real (não ideal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.8 Eficiência do ciclo de Rankine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.9 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5 Conclusão 25
6 Referências bibliográficas 26
i
Lista de Figuras
1 Caldeira. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Turbina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Condensador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4 Bomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
5 Ciclo de Rankine simples e ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
6 Representação esquemática do diagrama T-s. . . . . . . . . . . . . . . 9
7 Desvio do ciclo real de potencia a vapor do ciclo de rankine / efeitos
das irreversibilidade na bomba e na turbina sobre o ciclo de rankine ideal. 11
8 grafico do exemplo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
9 O efeito da diminuição da pressão no condensador sobre o ciclo de
Rankine ideal.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
10 O efeito do superaquecimento do vapor a temperatura mais altas no
ciclo de Rankine ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
11 efeito do aumento da pressão da caldeira sobre o ciclo de Rankine
ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
12 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento. . . . . . . . . . . . . . . . 16
13 Representação esquemática e diagrama T-s do exemplo. . . . . . . . . 18
14 A primeira parte do fornecimento de calor na caldeira ocorre a tempe-
ratura relativamente baixa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
15 O ciclo de Rankine regenerativo ideal com um aquecedor de água Aberto. 21
16 O ciclo de Rankine regenerativo ideal com um aquecedor de água fe-
chado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
17 Usina de potência a vapor com aquecedor de água de alimentação
aberto e três fechados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
ii
.
Lista de abreviaturas
AAA Aquecedor de água de alimentação
T(Q, méd) Temperatura quente media
Wliq Trabalho liquido
WTutb Trabalhda turbina
Wbomb Trabalhda bomba
qe Calor que entra
qs Calor que sai
h Entalpia
s entropia
T Temperatura
iii
DEDICATÓRIAS
O trabalho dedica-se aos mais importantes das nossas vidas, Deus, Pais, irmãos,
amigos, em geral toda a família sem esquecer do corpo docente, que pela excelente
capacidade de ensino, que acredita e sempre tem depositado muito amor, confiança
em nossa vida.
iv
AGRADECIMENTOS
.
Os autores pretendem expressar o agradecimento a todos os que contribuíram para
a elaboração do trabalho.
Ao dr. Lucas Boene e Eng. Narciso Nota, docentes da cadeira de Maquinas Prima-
rias, pela colaboração e pelo ensino
Também vão os agradecimentos a Aquênio Ireneu pela sua disponibilidade incan-
sável colaboração e amizade que contribuiu para a materialização deste trabalho e a
Osvaldo Cadeira pelas explicações que contribuíram bastante para a compreensão
do tema do trabalho.
v
"Na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma."
AntoinLaurent de Lavoisier
vi
Resumo
O vapor de água é um dos meios mais importantes de transporte de energia e o mais
utilizado em indústrias e unidades de geração de eletricidade. O Ciclo de Rankine
tem a função de produzir trabalho na turbina Primeiramente inserimos o fluido na cal-
deira, acrescentamos calor através da queima da lenha ou combustível de seguida o
fluido vai passar para a turbina passando por um processo produzindo trabalho con-
sequentemente o fluido vai para o condensador que tem a função de retirar calor do
fluido entrando assim o fluido e conduzido para a bomba cuja a bomba vai utilizar
trabalho para a movimentação do fluido através do aumento da pressão.
Palavras-chave: Ciclo; Geração de Energia; Ciclo de Rankine, usina termelétrica.
vii
Abstract
water vapor is one of the most important means of energy transport and the more
used in industries and electricity generation units. The Rankine cycle has the function
of producing work in the turbine. first we insert the fluid in the boiler, we add heat
by burning wood or fuel, the fluid will pass to the turbine going through a process
producing work, consequently the fluid goes to the condenser, which has the function
of removing heat from the fluid, then conducted to the pump whose pump will use work
to move the fluid by increasing pressure.
keywords: Cycle, Power Generation, Rankine Cycle, Thermometric Plant,
viii
MAQUINAS PRIMÁRIAS
1 Introdução
.
As máquinas térmicas a vapor utilizam a energia fornecida por um combustível pelo
processo de combustão para um fluido de trabalho, como a água, para gerar vapor e
converter a alta energia deste fluido em trabalho mecânico.
Apesar do fluido de trabalho poder ser qualquer fluido que consiga alcançar uma
situação de vapor superaquecido na saída da caldeira, devido as suas várias carac-
terísticas desejáveis, a água é um fluido com grandes qualidades, por possuir um alto
calor latente de vaporização, baixo custo e pouca quantidade de resíduos sólidos de
evaporação, gerando baixo índice de incrustações na caldeira e nas tubulações. O
ciclo de Rankine foi descoberto e nomeado pelo Escocês e professor da universidade
Glasgow William Macqourn Rankine. Este ciclo explica o funcionamento das usinas
termoeléctricas.
1
3 Metodologia
MAQUINAS PRIMÁRIAS
2 Objectivos
2.1 Geral
ò Abordar sobre o ciclo de Rankine.
2.2 Específicos
ò Descrever minociosante sobre os aspectos relacionado com o ciclo de Rankine;
ò Explicar detalhadamente Principio o funcionamento do ciclo de Rankine.
3 Metodologia
A elaboração do presente trabalho deu-se em fases: A primeira fase consistiu na
recolha de dados em fontes bibliográficas manuais e electronicas, na segunda fase,
procedeu-se a leitura cuidadosa das fontes bibliográficas e Por último (na ultima fase)
procedeu-se com os cálculos e a compilação do mesmo. Um manual amplamente
utilizado foi "Termodinâmica - Yunus Cengel .
2
4 Ciclo de Rankine
MAQUINAS PRIMÁRIAS
4 Ciclo de Rankine
4.1 Definição
O ciclo Rankine é um ciclo termodinâmico reversível, com a finalidade de transformar
calor em trabalho. Na transformação do calor em trabalho, o caloré fornecido pela
caldeira por uma fonte externa, geralmente utilizando a água como fluido operante.
Este ciclo funciona mudando o estado da água de liquido para vapor e vive versa.
4.2 Descrição
O ciclo Rankine é geralmente utilizado na produção da energia elétrica a partir da
combustão de combustíveis fosseis como o carvão, gás natural, e gasolina e também
da fissão nuclear de forma a obter calor. Muitas substâncias podem ser usadas como
fluido de trabalho no ciclo, mas a água é geralmente o fluido de escolha devido às
suas propriedades favoráveis, como a sua química não tóxica e não-reativa, abundân-
cia e baixo custo. Este ciclo é geralmente usado adotado principalmente em usinas
termelétricas (uma usina elétrica que converte energia térmica em energia elétrica).
4.3 Componentes principais do ciclo de Rankine
Os equipamentos que compõem uma unidade de geração de potência que funciona
conforme o Ciclo de Rankine é composta por quatro equipamentos básicos: A bomba
hidráulica (pump), Turbina a vapor (turbine), a caldeira (boiler) e o condensador de
vapor (condenser), que são responsáveis por fornecer e retirar energia do sistema na
forma de calor.
4.3.1 Caldeira
Que é um equipamento destinado a produzir e acumular vapor sob pressão superior
a pressão atmosférica.
3
4 Ciclo de Rankine
4.3 Componentes principais do ciclo de Rankine MAQUINAS PRIMÁRIAS
Figura 1: Caldeira.
4.3.2 Turbina
Um dispositivo rotativo instruído para captar e converter a energia interna de um fluido
em energia mecânica por meio de pás dispostas em um eixo rotativo.
Figura 2: Turbina.
4.3.3 Condensador
Tem a função de esfriar o fluido, pois na bomba não desejamos nenhum calor porque
pode danificar as pás.
Figura 3: Condensador.
4.3.4 Bomba
A bomba utiliza o trabalho para fazer a movimentação do fluido para a caldeira.
4
4 Ciclo de Rankine
4.4 Processos do ciclo de Rankine MAQUINAS PRIMÁRIAS
Figura 4: Bomba.
4.4 Processos do ciclo de Rankine
O ciclo de Rankine ideal não envolve nenhuma irreversibilidade interna e consiste nos
quatro seguintes processos:
1-2. Compressão isotérmica em uma bomba;
2-3. Fornecimento do calor a pressão constante em uma caldeira;
3-4. Expansão isotrópica em uma turbina;
3-4. Rejeição de calor pressão constante em um condensador.
A água entra na bomba no estado 1 como liquido saturado e é comprimida de maneira
isentrópica até a pressão de operação da caldeira. A temperatura aumenta um pouco
durante esse processo de compressão isentrópica, devido a uma ligeira diminuição
do volume específico da água. A água entra na caldeira com um líquido comprimido
no estado 2 e sai com vapor superaquecido no estado 3. O vapor de água supera-
quecido no estado 3 entra na turbina, na qual ele se expande de forma isentrópica e
produz trabalho, girando o eixo conectado a um gerador elétrico.
A pressão e a temperatura do vapor caem durante esse processo até valores do es-
tado 4, no qual o vapor entra no condensador. Nesse estado, o vapor é condensado a
pressão constante no condensador, que é basicamente um grande trocador de calor,
rejeitando calor para um meio de resfriamento como um lago, um rio ou atmosfera.
A água deixa o condensador como liquido saturado e entra na bomba completando o
ciclo. Em locais onde a água é escassa, o resfriamento nas usinas é realizado pelo
ar e não pela água.
5
4 Ciclo de Rankine
4.4 Processos do ciclo de Rankine MAQUINAS PRIMÁRIAS
Figura 5: Ciclo de Rankine simples e ideal.
6
4 Ciclo de Rankine
4.5 Vantagens e desvantagens de uma usina termelétrica MAQUINAS PRIMÁRIAS
4.5 Vantagens e desvantagens de uma usina termelétrica
a) VANTAGENS:
Se comparada a hidroeléctrica:
ò a usina termoeléctrica,pode ser instalada próxima a centros urbanos, contri-
buindo para uso de menos linhas e tores de transmissao ;
ò A construção de uma usina termoeléctrica é mais rapida e supre a carencia de
energia mais rapidamente;
ò geram energia quando a capacidade de produção hidroelétricas fica reduzida.
b) DESVANTAGENS
ò a energia é mais cara devido os combustiveis fosseis;
ò Nao é uma fonte renovável;
ò A queima de combustivel fosseis libera grandes quantidades de poluentes, po-
dendo agravar o efeito de estufa e chuvas acidas;
ò Dependencia de recursos finitos.
4.6 Análise Energética do Ciclo de Rankine Ideal
Os quatro componentes envolvidos no ciclo de rankine são dispositivos com escoa-
mento em regime permanente. As variações de energia cinética e potencial do vapor
são pequenas em relação ao termos de trabalho e transferência de calor, e em ge-
ral são desprezadas. Assim a equação de energia aplicada a um dispositivo com
escoamento em regime permanente, por unidade de massa de vapor, se reduz a:
(qe – qs)v3 + (We – Ws) = (hs – he) [kj/kg] (1)
Sabendo que a caldeira e o condensador não envolvem trabalho, e considera-se que
a bomba e a turbina sejam isentrópicas. Dessa forma, a equação de conservação de
energia aplicada a cada dispositivo pode ser expressa como:
7
4 Ciclo de Rankine
4.6 Análise Energética do Ciclo de Rankine Ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
Na Bomba (q=0), então
W(bomba.e) = h2 – h1 (2)
Ou
W(bomba.e) = v(P2 – P1) (3)
Na caldeira (W=0) então,
qe = h3 – h2 (4)
Na turbina (q=0), então
W(turb.s) = h3 – h4 (5)
No condensador (W=0), então
qs = h4 – h1 (6)
Onde
ò Wbomba: É o trabalho da bomba;
ò q é o calor;
ò P é a pressão;
ò Wturb: É o trabalho da turbina.
O rendimento é calculado atravéz de:
sabendo que:
Wliq = qe – qs.......Wliq = Wturbina.s – Wbomba.e (7)
η =
Wliq
qe
=
qe
qe
–
qs
qe
(8)
A eficiência térmica também pode ser interpretada como a razão entre a área envol-
vida pelo ciclo em um diagrama T-s e área sob o processo de fornecimento de calor.
8
4 Ciclo de Rankine
4.6 Análise Energética do Ciclo de Rankine Ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
O uso dessas relações é ilustrada no proximo exemplo:
Exemplo 1: Considere um sistema de potencia a vapor de agua que segundo o ciclo
de rankine simples e ideal. O vapor entra na turbina a 3 MPa e a 350o c e é conden-
sado no condensador a pressão de 75kPa. Determina a eficiência térmica desse ciclo.
Resolucao
Dados: η-?; P= 3Mpa; T= 350o.
Hipótese: a representação esquemática da usina é o diagrama T-s do ciclo são
mostrados na figura 3. Observamos que a usina opera segundo o ciclo de rankine
Ideal. Assim a bomba e a turbina são isentrópicas, não há queda de pressão na
caldeira e no condensador, e o vapor deixa o condensador e entra na bomba como
liquido saturado à pressão do condensador.
Figura 6: Representação esquemática do diagrama T-s.
1o. determinamos as entalpias em cada ponto do ciclo, utilizando os dados das
tabelas de vapor de água
Estado 1:
P1 = 75kPah1 = 384, 44kj/kg. Liquidosat.V1 = 0, 001037m3/kg
Estado 2:
9
4 Ciclo de Rankine
4.6 Análise Energética do Ciclo de Rankine Ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
P2 = 3MPa = 3000kPa S2 = S1
w(bomb.e) = V1 ·(P2–P1) = (0, 001037m3/kg)[(3000–75)*(1kJ/1kPa*m3) = 3, 033kj/kg
h2 = h1 + Wbomb.e = (384, 44 + 3, 033)kj/kg = 387, 47kJ/kg
Estado 3:
P3 = 3MPa
h3 = 3116,1 kJ/kg
T3 = 350oC
S3 = 6,7450 kJ/kg*k
Estado 4:
P4 = 75 kPa
(mistura sat.)
S4 = S3
x4 =
s4
s1v
= x4 =
6.7450 – 1.2132
6.2426
= 0.8861
h4 = h1 + x4hlv = 384.44 + 0.8861 × (2278.0) = 2403.0kJ/kg
qe = h3 – h2 = (3116.1 – 387.47)kJ/kg = 2728.6kj/kg
qs = h4 – h1 = (2403.0 – 384.44)kJ/kg = 2018.6Kj/kg
η =
wliq
qe
=
qe
qe
–
qs
qe
= 1 –
qs
qe
) = 1 – (2018, 6kj/kg)/(2728, 6kj/kg) = 0.26
a usina produz 26 porcento do calor que recebe na caldeira. Uma usina real ope-
rando nos mesmos limites de temperatura e pressão terá uma eficiência mais baixa
devido as irreversibilidades como o atrito.
10
4 Ciclo de Rankine
4.7 Ciclo de Rankine real (não ideal) MAQUINAS PRIMÁRIAS
4.7 Ciclo de Rankine real (não ideal)
Um ciclo real se difere do ciclo ideal, como mostra a figura seguinte, em virtude das
irreversibilidades em vários componente. o atrito do fluido e a perda do calor para
a vizinhança são duas fontescomuns da irreversibilidade. O atrito do fluido causa
queda de pressão na caldeira no condensador e nas tubulações entre diversos com-
ponentes. como resultado, o vapor sai da caldeira com uma pressão baixa, da mesma
forma, a pressão de entrada na turbina é mais baixa do que aquela que sai da cal-
deira, devido a queda de pressão na tubulação de conexa. A queda de pressão no
condensador é geralmente muito pequena para compensar essas quedas de pres-
são, a água deve ser bombeada ate uma pressão suficiente mais alta do que a do
ciclo ideal pede. isso exige uma bomba maior e consome mais trabalho.
O fator que limita a eficiência da turbina a vapor é a formação de gotículas de
água. Conforme a água condensa, as gotas atingem as lâminas da turbina e causam
corrosão e erosão, o que acaba diminuindo lentamente a vida útil das lâminas e a
eficiência da turbina. Esse problema pode ser evitado através do superaquecimento
do vapor.
Figura 7: Desvio do ciclo real de potencia a vapor do ciclo de rankine / efeitos das
irreversibilidade na bomba e na turbina sobre o ciclo de rankine ideal.
Essas irreversibilidades que ocorrem dentro da bomba e da turbina são impor-
tantes. uma bomba exige maior consumo de trabalho e uma turbina produz menor
trabalho em virtude as irreversibilidades sob condições ideais, o escoamento atra-
11
4 Ciclo de Rankine
4.7 Ciclo de Rankine real (não ideal) MAQUINAS PRIMÁRIAS
vés desse dispositivos é isotrópico. o desvio entre as bombas e turbinas reais e as
isoentropias pode ser calculado usando as eficiências:
ηB =
Ws
Wr
=
h2s – h1
h2r – h1
(9)
ηT =
Wr
Ws
=
hh3 – h4r
h3 – h4s
(10)
onde: 2re4rsaoosestadosdesaidareaisdabombaedaturbinarepectivamente, e2se4ssaoosestadocorrespondentedparaafiguradoefeitodeirreversibilidaddesobreocicloderankine.
Exemplo:
Uma usina de potencia a vapor de água pera segundo gráfico mostrado abaixo.se
a eficiencia isoentropica da turbina e de 87porcento e a eficiencia isoentropica da
bomba é de 85% porcento. determine:
Figura 8: grafico do exemplo.
a) a eficiencia térmica do ciclo b)a potencia liquida da usina para um fluxo de
massa de 15 kg/s hipótese:1A instalação ocorre opera em regime permanente
2. As variações de energia cinética e potencia são depressíveis.
O consumo de trabalho da bomba sera dado por:
ηB =
Wsbomb.e
Wbomb.e
=
v1(P2 – P1)
nB
= (0.001009)(16.000 – 9)/0.85 = 19kJ/kg
A produção de trabalho da turbina:
wturb.s = nTWs.turb.s
12
4 Ciclo de Rankine
4.8 Eficiência do ciclo de Rankine MAQUINAS PRIMÁRIAS
= ηT(hs – h6s) = 0.87(3583.1 – 2115.3)Kj/kg = 1277kJ/kg
Consumo do calor na caldeira sera dado por:
qe = h4 – h3 = (3647.6 – 160.1))kJ/kg =3487.5 kJ/kg
Wliq = wbomb.s – wbomb.e = (1277 – 19)kJ/kg = 1258kJ/kg
η = 1258/3487.5 = 0.361 ou 36.1%
A potencia sera:
Wliq = m(wliq) = (15kg/s)(1258kj/kg) = 18.9MW
4.8 Eficiência do ciclo de Rankine
4.8.1 Aumento da eficiência do ciclo de Rankine
Para aumentar a eficiência térmica de um ciclo de potência é necessário que seja
aumentada a temperatura média na qual o calor é transferido para o fluido de trabalho
na cadeira ou diminuir a temperatura média na qual o calor é rejeitado do fluido de
trabalho no condensador. Ou seja, a temperatura media do fluido deve ser mais alta
possível durante o fornecimento do calor e mais baixa possível durante a rejeição de
calor. As maneiras de como aumentar a eficiência do ciclo de rankine simples ideal
são:
1o. Diminuindo a pressão no condensador (Diminui a T(f,méd))
O vapor no condensador é uma mistura saturada de temperatura de saturação cor-
respondente a pressão dentro do condensador. Desta forma, a diminuição da pressão
de operação do condensador diminui automaticamente a temperatura de vapor e, por-
tanto, a temperatura na qual o calor é rejeitado. O efeito da diminuição da pressão no
condensador sobre a eficiência do ciclo de Rankine é ilustrada pelo diagrama T-s na
figura abaixo.
Para de comparação, o estado de entrada na turbina é mantido o mesmo. A área
colorida deste diagrama representa o aumento deste trabalho liquido devido a di-
minuição da pressão do condensador P4 para P’4. O consumo do calor também
aumenta, mais o aumento é muito pequeno. O efeito global da diminuição da pressão
13
4 Ciclo de Rankine
4.8 Eficiência do ciclo de Rankine MAQUINAS PRIMÁRIAS
no condensador é um aumento do rendimento do ciclo.
Para poder tirar proveito do aumento da eficiência a baixas pressões, os conden-
sadores das usinas a vapor em geral operam baixo da pressão atmosférica, mas e
importante saber que há um certo limite inferior para a pressão ser mantida no con-
densador. Ela não pode ser mais baixa que a pressão de saturação correspondente
a temperatura do meio de resfriamento.
Figura 9: O efeito da diminuição da pressão no condensador sobre o ciclo de Rankine
ideal..
2o. Superaquecendo o Vapor a Temperaturas mais Altas (AumentaTQ,med) A
temperatura média com a qual o calor é fornecido ao vapor de água pode ser au-
mentada sem aumento da pressão da caldeira, através do superaquecimento até
temperaturas mais elevadas.O sobreaquecimento tem um efeito benéfico que é dimi-
nuir o teor de humidade do vapor na saída da turbina A área colorida do diagrama
apresenta o trabalho liquido. A área total sobre a curva do processo 3-3’ representa
o aumento do fornecimento do calor. Assim, tanto o trabalho liquido como o consumo
de calor aumenta devido ao superaquecimento do vapor a uma temperatura mais alta.
O efeito geral é o aumento na eficiência térmica, uma vez que a temperatura média
com a qual é adicionada aumenta.
14
4 Ciclo de Rankine
4.8 Eficiência do ciclo de Rankine MAQUINAS PRIMÁRIAS
Figura 10: O efeito do superaquecimento do vapor a temperatura mais altas no ciclo
de Rankine ideal.
3o Aumento da pressao na caldeira (AumentaTQ,med) O aumento da pressão
de operação da caldeira eleva automaticamente a temperatura de ebulição o que por
sua vez, eleva a temperatura média com a qual o calor é fornecido ao vapor de água,
aumentando a eficiência térmica do ciclo. • Para uma temperatura fixa na entrada
da turbina, o ciclo se desloca para a esquerda e o teor de humidade do vapor na
saída da turbina aumenta. Esse efeito colateral indesejado pode ser corrigido pelo
reaquecimento do vapor O efeito é ilustrada na figura abaixo. Observe que para uma
temperatura fixa na entrada da turbina, o ciclo se desloca para esquerda e o conteúdo
da umidade do vapor na saída aumenta. Esse efeito colateral indesejado pode ser
corrigido pelo reaquecimento a vapor.
Figura 11: efeito do aumento da pressão da caldeira sobre o ciclo de Rankine ideal. .
15
4 Ciclo de Rankine
4.9 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento MAQUINAS PRIMÁRIAS
4.9 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento
O aumento da pressão na caldeira aumenta o eficiência mas também aumenta a hu-
midade nos últimos estágios da turbina ate níveis inaceitáveis. então é natural que se
faca a seguinte pergunta:
"como elevar a eficiência de corrente de alta pressão na caldeira sem obtermos uni-
dade excessiva nos últimos estágios da turbina?".
ha duas hipóteses:
1o Superaquecer o vapor a temperaturas muito altas antes de ele entrar na tur-
bina. Jaque isso elevaria a temperatura media na qual o calor é fornecido também
aumentaria e por consequência aumentaria a eficiência do ciclo. essa hipótese é não
aceitável pois exige o aumento da temperatura do vapor ate níveis que não são litur-
gicamente seguros.
2o. Expandir o vapor da turbina em dois estágios e reaquecelos entre eles ou seja,
modificar o ciclo de Rankine ideal com um processo de reaquecimento. o reaqueci-
mento é uma solução aceitável para o problema de humidade excessiva nas turbinas
e é utilizado nas usinas a vapor modernas
Figura 12: O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento.
16
4 Ciclo de Rankine
4.9 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento MAQUINAS PRIMÁRIAS
O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento difere do ciclo de Rankine simples
ideal,pois o processo de expansão ocorre em dois estágios. O primeiro estágio (a
turbina de alta pressão), o vapor é expandido de forma isentrópica até uma pressão
intermediaria e enviando novamente para a cadeira na qual é reaquecido a pressão
constante, geralmente até a temperatura de entrada do primeiro estágio da turbina.
Em seguida, o vapor se expande isentropicamente no segundo estágio, (turbina de
baixa pressão) até a pressão do condensador. Dessa maneira, o fornecimento do
calor e a produção total do trabalho nas turbinas para um ciclo com reaquecimento
torna-se:
qe = q(primeiro) + qreaquecimento = (h3 – h2) + (h5 – h4)
wturbS = wturbJ + wturbN = (h3 – h4) + (h5 – h6)
Exemplo2:
Considere uma usina a vapor que opera segundo o ciclo de Rankine ideal com
reaquecimento. O vapor entra na turbina de alta pressão a 15MPa e 600 oC e é con-
densado no condensador a uma pressão de 10KPa. Se o conteúdo de unidade de
vapor na saída da turbina de baixa pressão deve executar 10,4Determine:
A pressão na qual o vapor deve ser reaquecido e a eficiência térmica do ciclo. Con-
sidere que o vapor e reaquecido até a mesma temperatura de entrada da turbina de
alta pressão.
Resolução:
η-?
P-?
Hipóteses:
• A usina opera em regime permanente;
• As variações de energia cinética e potencial são desprezíveis.
17
4 Ciclo de Rankine
4.9 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento MAQUINAS PRIMÁRIAS
A representação do diagrama T-s do ciclo . Observamos que a usina opera segundo
o ciclo de Rankine ideal com reaquecimento. Assim, a bomba e as turbinas são isen-
trópicas, não há queda de pressão na caldeira e no condensador e o vapor deixa o
condensador e entra na bomba como o liquido saturado a pressão do condensador.
Figura 13: Representação esquemática e diagrama T-s do exemplo.
a) A pressão de reaquecimento é determinada com base no requisito de que as
entropias nos estados 5 e 6 sejam iguais
P6 = 10KPa
x6 = 0, 896 (misturasaturada)
S6 = Sl + x6Slv = 0, 6942 + 0, 896(7, 4996) = 7, 3600Kj/Kg · K
assim:
h6 = hl + x6 · hlv = 191, 81 + 0, 896 · (2392, 1) = 2335, 1Kj/Kg
Estado5: T5 = 600C P5 = 4Mpa
s5 = s6 h3 = 3674, 9kj/kg
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4 Ciclo de Rankine
4.9 O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento MAQUINAS PRIMÁRIAS
portanto, o vapor deve ser reaquecido a uma pressão de 4MPa ou menor para
evitar um conteúdo de umidade acima de 10,4 porcento
Para determinar a eficiência térmica necessitamos conhecer as entalpias
Estado 1:
P1 = 10kPa (liquidosaturado)
h1 = hl@10kPa = 191, 81KJ/kg v1 = hl@10kPa = 0, 00101m
3/kg
Estado 2:
P2 = 15Mpa
s2 = s1
Wbomba = v1(P2 – P1)
Wbomba = 15.139KJ/kg h2 = h1 + wbomba.e = 206.95kj/kg
Estado 3:
P3 = 15MPa T3 = 600C
h3 = 3583.1kJ/kg s3 = 6.6796Kg · K
Estado 4:
P4 = 4MPa s4 = s3
h3 = 3155, 0kJ/KG T4 = 375C
qe = (h3 – h2) + (h5 – h4)
=(3896,1)KJ/kg
qs = (h6 – h1) =(2335.1-191.81)KJ/kg =2143.3kJ/KG
η =
wliq
qe
=
qe
qe
–
qs
qe
= 1 –
qs
qe
) = 1 – (2143, 3kJ/kg)/(3896.1kj/kg) = 0.450
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4 Ciclo de Rankine
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal
Figura 14: A primeira parte do fornecimento de calor na caldeira ocorre a temperatura
relativamente baixa.
Devido a baixa temperatura no fornecimento, isso diminui a temperatura media e
por consequência a eficiencia ciclo. Para minimizarmos esse problema poderia se
efectuar o ciclo de Rankine Regenerativo para aumentar a temperatura inicial. Um
processo prático de regeneração nas usinas de potência a vapor de água é realizado
pela extracção do vapor da turbina em diversos pontos. Esse vapor, que poderia ter
produzido mas trabalho se completasse a expansão dentro da turbina, em vez de
isso e usado para aquecer a água de alimentação. O dispositivo no qual a água de
alimentação e aquecida por regeneração chama-se regenerador, ou aquecedor de
água de alimentação (AAA).
O ciclo de rankine de regeneração não apenas melhora a eficiência do ciclo,
mas também oferece um meio conveniente de desaerar a água de alimentação (re-
mover o ar que se infiltra no condensador) para evitar a corrosão da caldeira. Existem
basicamente dois tipos de aquecedores de agua de alimentação:
a)Aquecedores de Água de Alimentação Abertos
Um aquecedor de água de alimentação aberto (ou de contacto directo) é uma câ-
mara de mistura, onde o vapor extraído da turbina se mistura a água de alimentação
que sai da bomba. Idealmente, a mistura sai do aquecedor como liquido saturado a
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4 Ciclo de Rankine
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
pressão do aquecedor.
Representação esquemática de uma usina de potencia a vapor com um aquecedor
de água Aberto e o diagrama T-s
Figura 15: O ciclo de Rankine regenerativo ideal com um aquecedor de água Aberto.
Neste tipo de ciclo,o vapor entra na turbina a pressão da caldeira (estado 5) e
se expande de forma isentrópica até uma pressão intermediária (estado 6). Parte
do vapor e extraída nesse estado e direccionada para o aquecedor de água de ali-
mentação, enquanto o restante do vapor continua se expandindo de forma isotrópica
até a pressão do condensador (estado 7). A água deixa o condensador com liquido
saturado a pressão do condensador (estado 1). Essa água condensada, também
chamada de água de alimentação, entra em uma bomba isotrópica, na qual e compri-
mida até a pressão do aquecedor de água de alimentação (estado 2) e é direcionada
para o aquecedor de água de alimentação. Onde se mistura ao vapor extraído da
turbina. A fracção de vapor extraída e tal que a mistura sai do aquecedor como o
liquido a pressão do aquecedor (estado 3). Uma segunda bomba eleva a pressão da
água até a pressão da caldeira (estado 4). O ciclo se completa pelo aquecimento da
água na caldeira até o estado de entrada da turbina (estado 5).
qe = h5 – h4 (11)
qs = (1 – y)(h7 – h1) (12)
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4 Ciclo de Rankine
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
Wturb.s = (h5 – h6) + (1 – y)(h6 – h7) (13)
y = m6/m5 (14)
Fracção de vapor extraído
WbombI.e=v1(P2–P1) (15)
WbombII.e=v1(P4–P3) (16)
b)Aquecedores de Água de Alimentação Fechados
Aquecedor de água de alimentação fechado é mais usados em usinas a vapor, no
qual o calor e transferido do vapor extraído da turbina para a água de alimentação
sem que ocorra qualquer processo de mistura.
Representação esquemática de uma usina de potencia a vapor com um aquecedor
de água fechado e o diagrama T-s
Figura 16: O ciclo de Rankine regenerativo ideal com um aquecedor de água fechado.
Em aquecedor de água de alimentação fechado ideal, a qual e aquecida até a tem-
peratura de saída do vapor extraído, que idealmente deixa o aquecedor como liquido
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4 Ciclo de Rankine
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
saturado a pressão de extracção. Nas usinas de potências reais a água de alimen-
tação sai do aquecedor abaixo da temperatura de saída do vapor extraído, porque
é necessário uma diferença de temperatura de pelo menos alguns graus para que
haja uma transferência de calor efectiva. O vapor condensado é então bombeado
para linha de água de alimentação ou direccionado para outro aquecedor ou ainda
para o condensador por meio de um dispositivo chamado de purgador. Um purgador
permite que o liquido seja estrangulado para uma pressão mas baixa, mas impede
o escoamento do vapor. A entalpia permanece constante durante esse processo de
estrangulamento.
Os aquecedores de água de alimentação abertos e fechados podem ser comparados
da seguinte maneira. Os aquecedores de água de alimentação aberta são simples
e baratos e apresentam boas características de calor. Eles também trazem água de
alimentação até o estado de saturação. Os aquecedores de água de alimentação
fechados são mais complexos por causa da tubulação interna e, portanto, são mais
caros. A transferência do calor em aquecedores de água de alimentação fechada
também e menos efectiva, em vez que as duas correntes não entrem em contacto
directo.Entretanto os aquecedores de água de alimentação fechados não exigem
uma bomba separada para cada aquecedor, uma vez que o vapor extraído e a água
de alimentação podem estar a pressões diferentes.
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4 Ciclo de Rankine
4.10 Ciclo de Rankine regenerativo ideal MAQUINAS PRIMÁRIAS
Figura 17: Usina de potência a vapor com aquecedor de água de alimentação aberto
e três fechados.
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5 Conclusão
MAQUINAS PRIMÁRIAS
5 Conclusão
Findado o trabalho, conclui-se que falar do ciclo de Rankine, é tecnicamente falar de
central ou usina termoeléctrica (uma instalação industrial usada para a geração de
energia eléctrica a partir da energia liberada por qualquer produto que passa a gerar
calor como:carvão, madeiras, óleo diesel,etc.) o seu funcionamento se assemelha a
energia hidroeléctrica, isto é, no caso da energia hidroeletrica o gerador é impulsio-
nado pela forca da água ao passo que na energia termoeléctrica o calor gerado pela
de combustíveis aquece uma caldeira com liquido(de preferencia água) que conse-
quentemente gera vapor em alta pressão e o vapor se move ate as pas da turbina do
gerado, produzindo assim a energia para ser distribuída aos consumidores.
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6 Referências bibliográficas
MAQUINAS PRIMÁRIAS
6 Referências bibliográficas
1. ÇENGEL, Y. A (2006), Termodinâmica. São Paulo: McGraw Hill.
2. Oliveira, Paulo P. (2015), Fundamentos de Termodinâmica Aplicada Análise Ener-
gética e Exergética, 2o edição, Lisboa LIDEL-Edições Técnicas Lda;
3. Shapiro, Princípios da Termodinâmica, 7ed.
4. https://pt.solar-energia.net/termodinamica/ciclos-termdinamicos/ciclo-rankine, 20
de julho de2021
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	Introdução
	Objectivos
	Geral
	Específicos
	Metodologia
	Ciclo de Rankine
	Definição
	Descrição 
	Componentes principais do ciclo de Rankine 
	Processos do ciclo de Rankine 
	Vantagens e desvantagens de uma usina termelétrica
	Análise Energética do Ciclo de Rankine Ideal
	Ciclo de Rankine real (não ideal)
	Eficiência do ciclo de Rankine
	O ciclo de Rankine ideal com reaquecimento
	Ciclo de Rankine regenerativo ideal
	Conclusão
	Referências bibliográficas