2020-ET Aula02-Efeitos da Pressão e Temperatura no Ciclo Rankine

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Aula 2 – Ciclo Rankine 
12/02/2020 
Curso: Engenharia Mecânica 
Série: 6º/7º Semestre 
Energia Térmica 
Aula 2 – Efeitos da Pressão e 
Temperatura no Ciclo Rankine 
Quarta 19:10 às 22:00 
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1 – Pressão no Condensador 
Na figura 1, é apresentado o efeito da 
redução da pressão e da temperatura na 
qual o calor é rejeitado no condensador. 
Nesta condição o aumento do trabalho 
líquido é representado pela área 1-4-4’-1’-
2’-2-1. 
O aumento do calor transferido ao fluido 
é representado pela área a’-2’-2-a-a’. 
Como essas duas áreas são 
aproximadamente iguais, o resultado líquido 
é um aumento no rendimento do ciclo. 
A redução da pressão na seção de descarga provoca também uma redução no título do 
fluido que deixa a turbina. Isso é um fator significativo, pois ocorrerá diminuição na 
eficiência da turbina e a erosão das palhetas da turbina se tornará um problema muito sério 
quando a umidade do fluido, nos estágios de baixa pressão da turbina, exceder cerca de 
10%. 
Figura 1 
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2 – Superaquecimento do Vapor 
Na figura 2, é apresentado o efeito do 
superaquecimento do vapor na caldeira. 
O trabalho aumenta o correspondente à 
área 3-3’-4’-4-3. 
O aumento do calor transferido ao fluido 
é representado pela área 3-3’-b’-b-3. 
Como a relação entre estas duas áreas é 
maior que a relação entre o trabalho líquido 
e o calor fornecido no restante do ciclo, 
então, para as pressões dadas, o 
superaquecimento do vapor aumenta o 
rendimento do ciclo Rankine. 
Isso pode também ser explicado pelo aumento da temperatura média na qual o calor é 
fornecido ao vapor. Quando o vapor é superaquecido, aumenta o título do vapor na saída 
da turbina. 
Figura 2 
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3 – Pressão Máxima do Vapor 
Na figura 3, é apresentada a influência da 
pressão máxima do vapor. 
Nesta análise, a temperatura máxima do 
vapor, assim como a pressão de saída, são 
mantidas constantes. 
O calor rejeitado diminui o correspon-
dente à área b’-4’-4-b-b’. 
O trabalho líquido aumenta o 
correspondente à área rachurada simples e 
diminui o correspondente à área rachurada 
duplamente. Portanto, o trabalho líquido 
tende a permanecer o mesmo, mas o calor 
rejeitado diminui e, portanto, o rendimento 
do ciclo Rankine aumenta com o aumento 
da pressão máxima. 
A temperatura média na qual o calor é fornecido também aumenta com o aumento da 
pressão. Já o título do vapor que deixa a turbina diminui quando a pressão máxima do cíclo 
aumenta. 
Figura 3 
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4 – Conclusões 
O trabalho líquido e o rendimento 
de um ciclo de Rankine podem ser 
aumentados pela redução da 
pressão no condensador, pelo 
aumento da pressão no 
fornecimento de calor e pelo 
superaquecimento do vapor. O 
título do vapor que deixa a turbina 
aumenta com o superaquecimento 
do vapor e diminui pelo 
rebaixamento da pressão no 
condensador e pelo aumento da 
pressão no fornecimento de calor. 
Estes efeitos são indicados na 
figura 4. 
Figura 4 
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Uma central de potência a vapor 
operando num ciclo Rankine 
apresenta pressão na caldeira 
igual a 3 MPa. As temperaturas 
máxima e mínima do ciclo são 
iguais a 450oC e 45oC, 
respectivamente. Determine a 
eficiência deste ciclo e aquela de 
um ciclo de Carnot que opera 
entre reservatórios térmicos que 
apresentam temperaturas iguais 
às máxima e mínima do ciclo 
Rankine. 
Exercício 1 – 11.17 
5 – Exercício 
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6 – Ciclo com Reaquecimento 
O aumento da pressão na caldeira também contribui para o aumento do teor de umidade do 
de vapor que deixa a turbina. O ciclo de reaquecimento foi desenvolvido para tirar 
vantagem da eficiência aumentada com elevação da pressão na caldeira e evitar o aumento 
do teor de umidade do vapor na saída da turbina. Este ciclo é apresentado 
esquematicamente na figura 5. O único destaque deste ciclo é de que o vapor é expandido 
até uma pressão intermediária na turbina e é então reaquecido na caldeira, sendo depois 
então expandido na turbina até a pressão de exaustão. 
No diagrama da figura 5, observa-se que existe pouco ganho em eficiência com o 
reaquecimento do vapor, porque a temperatura média com a qual o calor é fornecido altera-
se muito pouco. A vantagem principal está na redução da proporção de líquido no fluido de 
saída da turbina. Se existissem metais que suportassem as temperaturas de trabalho na 
região 3’ do diagrama, o ciclo de Rankine seria mais eficiente e o reaquecimento não seria 
necessário. 
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Figura 5 
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A caldeira de uma pequena central de potência produz 25 kg/s de vapor d’água a 3 MPa e 
600oC. O fluido de trabalho muda de fase no condensador a 45oC. A primeira expansão na 
turbina é realizada até a pressão de 500 kPa e, nessa pressão, é realizado um 
reaquecimento até que a temperatura atinja 400oC. Após essa operação, o vapor expande 
até a pressão do condensador. 
Exercício 2 – 11.34 
7 – Exercício 
Determine a potência 
líquida do ciclo e a taxa 
total de transferência de 
calor na caldeira. 
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Borgnakke, C. e Sonntag, R.E., “Fundamentos da Termodinâmica”, 7ª Ed., 
Editora Edgard Blucher, 2010. 
Bibliografia