O ciclo Rankine

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O ciclo Rankine 
A aplicação do vapor como força motriz só se tornou realidade a partir dos 
trabalhos de Thomas Savery em 1698. Estes trabalhos resultaram no motor 
alternativo a vapor que originou a revolução industrial. 
O desenvolvimento da turbina a vapor demorou mas, uma vez iniciado, foi rápido. 
Entre o final do século XVIII e o século XIX, diversos pesquisadores trabalharam 
em paralelo e mais de 100 patentes foram registradas entre 1880 e 1883. 
As primeiras turbinas a vapor foram construídas por Carl Gustav de Laval, do tipo 
impulso, e Charles Parsons, do tipo reação. 
Atualmente, a geração de energia elétrica a partir do vapor baseia-se, conforme 
mostra a abaixo, nos seguintes equipamentos: 
 Queimador; 
 Caldeira; 
 Turbina; 
 Gerador 
 Condensador; 
 Trocador de Calor 
 Bomba. 
 
 
 
 
O coração deste sistema é o ciclo formado pela água 
ciclo é estudado pela termodinâmica a 
 
Ciclo de Rankine no diagrama Temperatura 
é o ciclo formado pela água líquida e seu
é estudado pela termodinâmica a partir do ciclo teórico - ciclo 
ankine no diagrama Temperatura x entropia 
 
u vapor. Esse 
ciclo de Rankine. 
 
O ciclo Rankine é o ciclo termodinâmico que mais representa o processo de 
geração de energia a partir do vapor d´agua. 
Contudo, outros fluidos também podem ser utilizados em aplicações especiais, 
como na geração geotérmica. 
Ele se baseia em quatro processos termodinâmicos: 
 Bombeamento adiabático na bomba - 1 a 2; 
 Transformação da água em vapor a pressão constante na caldeira - 2 a 3; 
 Expansão adiabática na turbina - 3 a 4; 
 Condensação do vapor a pressão constante no condensador - 4 a 1. 
 
Esquema de turbina a vapor com os diversos componentes 
É importante observar que os pontos 1 e 2 são idênticos no diagrama T x S porque 
o bombeamento adiabático não produz variação de temperatura nem variação de 
entropia. 
Durante a tranferência de calor para a água na caldeira, a temperatura se eleva até 
o ponto 2´, onde o processo de evaporação se inicia. 
 
A partir deste ponto, a temperatura da mistura água/vapor permanece constante até 
que todo o líquido tenha se transformado em vapor. 
O rendimento térmico do ciclo Rankine é dado por: 
 
 
Onde: 
 wliq é o trabalho líquido executado; 
 qH é o calor fornecido ao sistema; 
 qL é o calor retirado do sistema; 
 wt é o trabalho realizado pela turbina; 
 wb é o trabalho realizado pela bomba. 
Considerando que: 
 
 
Onde hi é a entalpia no estado i. 
O rendimento térmico do ciclo Rankine será dado por: 
 
 
 
No ciclo Rankine ideal, a temperatura média de rejeição de calor é constante e 
igual à temperatura de condensação. 
No entanto, a temperatura média de fornecimento de calor é inferior à temperatura 
de vaporização por causa da variação de temperatura entre os pontos 1 e 2. Isto 
significa que o rendimento do ciclo Rankine ideal é inferior ao rendimento 
térmico do ciclo de Carnot operando com temperatura máxima igual a temperatura 
de vaporização e mínima igual à temperatura de condensação. 
A grande questão é: 
O que fazer para aumentar a eficiência do ciclo Rankine? 
Basicamente, existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo 
Rankine: 
 Redução da pressão na saída da turbina; 
 Aumento da pressão na caldeira; 
 Superaquecer o vapor. 
Estas três opções possuem limitações fundamentais. 
Primeiramente, a redução da pressão do vapor na saída da turbina provoca 
condensação do vapor. Esta água condensada forma gotículas que destroem as 
palhetas da turbina. 
Por isso, o título do vapor na saída da turbina não deve ser inferior a 0,85. 
Por outro lado, o aumento da pressão na caldeira também aumenta a temperatura 
e, consequentemente, os esforços termo-mecânicos no equipamento aumentam. 
Portanto, esta solução está limitada à tecnologia dos materiais existentes. 
Finalmente, existe a solução de superaquecer o vapor. Mais uma vez, esta solução 
está limitada pela tecnologia de materiais disponível no mercado. 
Na prática, utilizam-se dois sistemas básicos: 
 Reaquecimento; 
 Regeneração.