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MELHORANDO O DESEMPENHO DO 
CICLO RANKINE
Professor: Roger Rodrigues
Serra
2020
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
 O ciclo Rankine ideal básico, como visto na aula anterior, é composto
por QUATRO elementos básicos, a saber
 Caldeira
 Turbina
 Condensador
 Bomba
 Os quatro equipamentos, trabalhando em conjunto, submetem a água
a uma série de processos (dois isentrópicos e dois isobáricos) para
que seja possível a produção de potência.
 Porém, há alguns recursos que podem favorecer ao aumento da
eficiência do ciclo
 OBS: nunca perder de vista que, por mais que a eficiência seja
aumentada, ela nunca atingirá o valor da eficiência de Carnot, que é a
máxima eficiência possível.
 OBS2: basear as análises de melhoria do ciclo no diagramaT-s
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
 Basicamente, temos as seguintes possibilidades
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
I - Superaquecer o vapor a
temperaturas mais altas
A temperatura média com a qual
o calor é transferido para o
vapor pode ser aumentada sem
aumentar a pressão da caldeira
pelo superaquecimento do vapor
a altas temperaturas, o que é
possível por meio de um
superaquecedor.
 Basicamente, temos as seguintes possibilidades
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
I - Superaquecer o vapor a
temperaturas mais altas
O superaquecedor é um
trocador de calor separado, que
permite acréscimo adicional de
energia.
A combinação da caldeira com o
superaquecedor é conhecida
como GERADOR DEVAPOR.
 Basicamente, temos as seguintes possibilidades
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
I - Superaquecer o vapor a
temperaturas mais altas
Vê-se que a temperatura média
termodinâmica de adição de
calor aumenta, quando
comparamos com o ciclo
Rankine básico.
T1m (ciclo 
básico)
T1m (ciclo com 
superaq.)
T2m
 Basicamente, temos as seguintes possibilidades
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
I - Superaquecer o vapor a
temperaturas mais altas
Além de melhorar o
desempenho do ciclo, o
superaquecimento favorece o
aumento do título na saída da
turbina, ou seja, reduz a
quantidade de líquido ao final da
expansão, o que ameniza a
erosão das pás.
T1m (ciclo 
básico)
T1m (ciclo com 
superaq.)
T2m
 Basicamente, temos as seguintes possibilidades
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
II – Aumento da pressão na
caldeira
Aplica-se, aqui, a mesma ideia do
aumento da temperatura média
termodinâmica de adição de
calor.
 Basicamente, temos as seguintes possibilidades
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
III – Redução da pressão de condensação
Aqui, a ideia é reduzir a temperatura de rejeição de calor.
1 - Por que utilizar um
condensador?
2 - Qual a pressão
mínima que se poderia
atingir?
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
IV – Reaquecimento
Com o reaquecimento, uma planta de potência pode tirar proveito do
aumento de eficiência resultante de pressões maiores na caldeira e ainda
evitar um título baixo para o vapor na saída da turbina.
O vapor em um ciclo Rankine básico se expande de uma vez até a pressão de
condensação.
Já no ciclo Rankine com reaquecimento, o vapor passa por um estágio da
turbina, expande-se até uma pressão intermediária, é encaminhado
novamente para o gerador de vapor de modo a aproveitar mais do calor dos
produtos de combustão, quando, então, é encaminhado para o próximo
estágio da turbina onde, finalmente, sofrerá uma expansão até a pressão de
condensação.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
IV – Reaquecimento
ሶQent
ሶm
= h1 − h6 + (h3 − h2)
ሶWent
ሶm
= h1 − h2 + (h3 − h4)
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
IV – Reaquecimento
Uma diminuição de 1% no título do vapor de exaustão acarreta em uma
diminuição de 1% no rendimento interno relativo da turbina, devido aos
efeitos das gotículas de água presentes ao fim da expansão.
Porém, a implementação do reaquecimento está relacionada a um consumo
adicional de combustível e à instalação de tubulações de vapor adicionais,
entre a turbina e a caldeira, e de superfícies de aquecimento.
Como resultado da aplicação da análise técnico-econômica, o reaquecimento
é utilizado somente em unidades de potência média e alta, geralmente com
mais de 100 MW de capacidade instalada.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
V – Plantas supercríticas
A temperatura do vapor que entra
na turbina sofre restrições devidas a
limitações metalúrgicas impostas
pelos materiais utilizados na
fabricação do superaquecedor, do
reaquecedor e da turbina.
Uma alta pressão no gerador de
vapor também requer tubulações
que possam suportar grandes
tensões a temperaturas elevadas. Ciclo Rankine supercrítico com reaquecimento.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
V – Plantas supercríticas
Moran e Shapiro (2009) afirmam
que a melhoria de materiais e
métodos de fabricação forneceram
ótimas condições para que o ciclo
possa operar a altas pressões no
gerador de vapor (pressões essas
acima da pressão crítica da água) e
temperaturas na entrada da turbina
que excedem 600°C.
TC = 374,14 °C
pC = 220,9 bar = 22,09 MPa
Ciclo Rankine supercrítico com reaquecimento.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
V – Plantas supercríticas
Atualmente, as plantas de potência
a vapor supercríticas produzem
vapor a pressões e temperaturas
próximas a 30 MPa e 600 °C,
permitindo η de até 47%.
Com as superligas, aumentando o
limite das altas temperaturas e a
resistência à corrosão e à fluência,
se tornando viáveis, as instalações
ultrassupercríticas podem produzir
vapor a 35 MPa e 750 °C, com η
que excedem 50%.
Ciclo Rankine supercrítico com reaquecimento.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
V – Plantas supercríticas
As plantas subcríticas, por sua vez,
apresentam eficiência térmica de
até 40%.
Os custos de instalação das plantas
supercríticas são maiores que os das
subcríticas. Entretanto, o gasto com
combustível é consideravelmente
menor nas supercríticas, uma vez
que sua eficiência é maior.
Consequentemente, os problemas
associados à combustão serão
atenuados
Ciclo Rankine supercrítico com reaquecimento.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
V – Plantas supercríticas
No que diz respeito às plantas
supercríticas com reaquecimento,
já é viável economicamente a
implementação do reaquecimento
intermediário em DUAS etapas (a
figura ao lado ilustra somente UMA
etapa de reaquecimento).
Ciclo Rankine supercrítico com reaquecimento.
1) Considere uma usina de potência a vapor de água que opera segundo
o ciclo de Rankine simples ideal. O vapor entra na turbina a 3 MPa e
350 °C e é condensado no condensador à pressão de 75 kPa.
Determine a eficiência térmica desse ciclo.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
2) Considere uma usina a vapor de água operando segundo o ciclo de 
Rankine ideal. Vapor entra na turbina a 3 MPa e 350 °C e é condensado 
no condensador à pressão de 10 kPa. Determine:
a) a eficiência térmica dessa usina.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
2) Considere uma usina a vapor de água operando segundo o ciclo de 
Rankine ideal. Vapor entra na turbina a 3 MPa e 350 °C e é condensado 
no condensador à pressão de 10 kPa. Determine:
b) a eficiência térmica se o vapor for superaquecido a 600 °C e não a 
350 °C.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
2) Considere uma usina a vapor de água operando segundo o ciclo de 
Rankine ideal. Vapor entra na turbina a 3 MPa e 350 °C e é condensado 
no condensador à pressão de 10 kPa. Determine:
c) a eficiência térmica se a pressão da caldeira for elevada até 15 MPa 
enquanto a temperatura na entrada da turbina é mantida a 600 °C.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
3) O vapor d’água é o fluido de trabalho em um ciclo ideal de Rankine
com superaquecimento e reaquecimento. O vapor entra na turbina de
alta pressão a 8,0 MPa e 480 °C, e se expande até 0,7 MPa. Em
seguida, é reaquecido até 440 °Cantes de entrar na turbina de baixa
pressão, onde se expande até a pressão do condensador de 0,008 MPa.
A potência líquida na saída é de 100 MW. Determine
a) A eficiência térmica do ciclo
b) A vazão mássica de vapor, em kg/h
c) A taxa de transferência de calor, ሶQSAI, do vapor que condensa
quando passa pelo condensador, em MW.
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine
3)
Melhorando o desempenho do 
ciclo Rankine