04_MaqTer_Ciclo_Rankine_EleEfici_Rev 01(1)

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Ciclo Rankine: estratégias básicas 
para elevação da eficiência
Máquinas Térmicas
Engenharia Mecânica
Semestre: 2020/2
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Sumário
• Introdução
• Estratégias para aumento da eficiência do ciclo Rankine
• Exemplo
• Referências
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Introdução
• O ciclo Rankine é uma proposta que utiliza a energiaenergia térmicatérmica
proveniente de, por exemplo, um sistema de combustão e a
transforma em trabalhotrabalho mecânicomecânico.
• Com base nos exercícios anteriores conseguimos verificar que a
eficiênciaeficiência térmicatérmica desses ciclos (mesmo os arranjos ideais) são baixas
quando comparadas à eficiênciaeficiência idealizadaidealizada dede CarnotCarnot.
• Assim sendo, algumas estratégiasestratégias podem ser implementadas nos ciclos
Rankine para que os mesmos consigam obter uma elevaçãoelevação da
eficiênciaeficiência na conversão de energia térmica em trabalho mecânico.
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Estratégias para aumento da eficiência
• Segundo Çengel (2013) grande parte da energiaenergia elétricaelétrica produzida no
mundo tem origem nas usinasusinas dede potênciapotência aa vaporvapor e pequenos
aumentos de eficiência impactam de maneira significativa.
• Em termos de máquinas térmicas, aumentos de eficiência podem ser
obtidos por meio da elevaçãoelevação dada temperaturatemperatura médiamédia na qual o calor é
transferido para o fluido de trabalho ou diminuiçãodiminuição dada temperaturatemperatura
médiamédia na qual o calor é rejeitado do fluido de trabalho.
• Vejamos a seguir algumas propostas que podem aumentar a eficiência.
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Estratégias para aumento da eficiência
• Redução da pressão de condensação:
– A redução na pressão de condensação faz com que a temperaturatemperatura
médiamédia no processo de rejeição diminuadiminua e, com isso, a turbina possa
expandir um pouco mais o vapor que escoa pela mesma;
– Entretanto, há alguns efeitos que devem ser considerados: a
pressão de condensação não pode ser inferior a pressão de
saturação que corresponde a temperatura de trabalho;
– A mistura saturada não pode atingir títulos menores que 90%, pois,
com isso gotasgotas dede águaágua podem causar a erosãoerosão nas pás da turbina;
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Estratégias para aumento da eficiência
• Redução de pressão de condensação:
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* A área cinza do diagrama representa o
aumento de trabalho líquido produzido o ciclo
em função da redução da pressão de
condensação.
* Entretanto, observe que o título no ponto 4´ é
menor que no ponto 4 e, assim, não se pode
reduzir a pressão no condensador de maneira
indefinida.
* Usualmente o título de saída nas turbinas a
vapor é da ordem de 88% a 90%. Para
informações mais precisas, devemos consultar
literaturas específicas sobre turbinas a vapor e
ciclos de potência a vapor.
Fonte: Çengel (2013).
Estratégias para aumento da eficiência
• Aumento de pressão na caldeira:
– Aumentar a pressãopressão dede operaçãooperação nana caldeiracaldeira permite a elevação da
temperatura média do fluido de trabalho, pois, há a elevaçãoelevação dodo
pontoponto dede ebuliçãoebulição;
– Para uma mesma temperatura na entradaentrada nana turbinaturbina, o aumento da
pressão faz com que o estado do fluido se desloque para a esquerda
e, após a expansão, provoque quedaqueda dodo títulotítulo dada misturamistura saturadasaturada;
– Algumas usinas americanas, conforme relata Çengel (2013), operam
com pressões superiores a pressão crítica da água (>22,06 MPa);
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Estratégias para aumento da eficiência
• Aumento de pressão na caldeira:
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* Observe que o ponto 3’ está em uma linha
isobárica a esquerda do ponto 3 e, para a
mesma temperatura máxima, após a expansão,
o ponto 4’ apresenta título menor que o ponto
4 e, na operação, pode causar danos à turbina.
* Observe também que houve um aumento de
trabalho com a elevação da pressão, contudo,
com o deslocamento do ponto 3’ para a
esquerda houve uma perda de trabalho
produzido pelo ciclo.
* Esse aumento de pressão vai gerar um maior
consumo de trabalho por partes das bombas,
conforme se nota analisando os pontos 2 e 2’.
Fonte: Çengel (2013).
Estratégias para aumento da eficiência
• Aumento da temperatura da caldeira:
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* O aumento de temperatura na caldeira é uma
estratégia que aumenta o trabalho produzido
pelo ciclo; observa-se também que o título
aumenta após a expansão.
* Contudo, nota-se que ao deslocar o ponto 3
para o ponto 3’, será necessária maior adição
de calor no ciclo e, por conseqüência, aumento
da queima de combustível (no caso da
combustão);
•Por fim, aumentos indefinidos de temperatura
não são aplicados em função da limitação dos
materiais que compõe caldeiras, turbinas e
tubulações (e acessórios);
Fonte: Çengel (2013).
Exemplo
• Considere uma usina a vapor de água operando segundo o ciclo de Rankine
ideal. Vapor entra na turbina a 3 MPa e 350º C e é condensado no
condensador à pressão de 10 kPa. Determine: (a) a eficiência térmica dessa
usina; (b) a eficiência térmica se o vapor for superaquecido a 600º C e a
pressão mantida a 3 MPa; (c) a eficiência térmica se a pressão da caldeira for
elevada para 15 Mpa enquanto a temperatura na entrada da turbina é
mantida a 600º C.
1010 Fonte: Çengel (2013).
Referência bibliográficas
• ÇENGEL, Y., BOLES, M. Termodinâmica . 7ª Ed. Porto Alegre:
McGraw-Hill, 2013.
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