{"id":51305,"date":"2020-01-26T09:17:54","date_gmt":"2020-01-26T08:17:54","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/o-que-e-melhoria-da-eficiencia-termica-ciclo-rankine-definicao\/"},"modified":"2020-01-26T09:20:23","modified_gmt":"2020-01-26T08:20:23","slug":"o-que-e-melhoria-da-eficiencia-termica-ciclo-rankine-definicao","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/pt-br\/o-que-e-melhoria-da-eficiencia-termica-ciclo-rankine-definicao\/","title":{"rendered":"O que \u00e9 Melhoria da Efici\u00eancia T\u00e9rmica – Ciclo Rankine – Defini\u00e7\u00e3o"},"content":{"rendered":"
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Melhoria da efici\u00eancia t\u00e9rmica – Ciclo de Rankine.\u00a0Existem v\u00e1rios m\u00e9todos, como pode ser melhorada a efici\u00eancia t\u00e9rmica do ciclo Rankine.\u00a0Engenharia T\u00e9rmica<\/div>\n<\/div>\n
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Efici\u00eancia t\u00e9rmica do ciclo Rankine<\/h2>\n

Em geral, a\u00a0efici\u00eancia t\u00e9rmica<\/strong><\/a>\u00a0,\u00a0<\/a>\u03b7\u00a0<\/em><\/strong><\/a>th<\/sub><\/em><\/strong><\/a>\u00a0, de qualquer motor de calor \u00e9 definida como a raz\u00e3o entre o\u00a0trabalho<\/a>\u00a0que faz,\u00a0W<\/strong>\u00a0, para o\u00a0calor<\/a>\u00a0de entrada a uma temperatura elevada, Q\u00a0H<\/sub>\u00a0.<\/p>\n

\"f\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

A\u00a0efici\u00eancia t\u00e9rmica<\/strong>\u00a0,\u00a0\u03b7\u00a0<\/em><\/strong>th<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0, representa a fra\u00e7\u00e3o de\u00a0calor<\/strong>\u00a0,\u00a0Q\u00a0<\/strong>H<\/sub><\/strong>\u00a0, que \u00e9 convertida\u00a0em trabalho<\/strong>\u00a0.\u00a0Como a energia \u00e9 conservada de acordo com a\u00a0primeira lei da termodin\u00e2mica<\/strong><\/a>\u00a0e a energia n\u00e3o pode ser convertida para funcionar completamente, a entrada de calor, Q\u00a0H<\/sub>\u00a0, deve ser igual ao trabalho realizado, W, mais o calor que deve ser dissipado como\u00a0calor residual Q\u00a0<\/strong>C<\/sub><\/strong>\u00a0no meio Ambiente.\u00a0Portanto, podemos reescrever a f\u00f3rmula da efici\u00eancia t\u00e9rmica como:<\/p>\n

\"f\u00f3rmula<\/a><\/p>\n

Essa \u00e9 uma f\u00f3rmula muito \u00fatil, mas aqui expressamos a efici\u00eancia t\u00e9rmica usando a primeira lei em termos de\u00a0entalpia<\/a>\u00a0.<\/p>\n

\"Ciclo<\/a>
Ciclo de Rankine – diagrama de Ts<\/figcaption><\/figure>\n

Normalmente, a maioria das\u00a0usinas nucleares<\/strong>\u00a0opera\u00a0turbinas a vapor de condensa\u00e7\u00e3o de v\u00e1rios est\u00e1gios<\/strong>\u00a0.\u00a0Nessas turbinas, o est\u00e1gio de alta press\u00e3o recebe\u00a0vapor<\/a>\u00a0(esse vapor \u00e9 quase saturado – x = 0,995 – ponto C na figura;\u00a06 MPa<\/strong>\u00a0; 275,6 \u00b0 C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (ponto D )\u00a0O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados \u200b\u200b\u00e0s p\u00e1s da turbina a vapor por vapor de\u00a0baixa qualidade<\/a>\u00a0.\u00a0O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor \u00e9 direcionado para o est\u00e1gio de baixa press\u00e3o da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F).\u00a0O vapor exaurido condensa no condensador e est\u00e1 a uma press\u00e3o bem abaixo da atmosf\u00e9rica (press\u00e3o absoluta de0,008 MPa<\/strong>\u00a0) e est\u00e1 em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade pr\u00f3xima a 90%.<\/p>\n

Nesse caso, geradores de vapor, turbinas a vapor, condensadores e bombas de \u00e1gua de alimenta\u00e7\u00e3o constituem um motor t\u00e9rmico, sujeito \u00e0s limita\u00e7\u00f5es de efici\u00eancia impostas pela\u00a0segunda lei da termodin\u00e2mica<\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0No caso ideal (sem atrito, processos revers\u00edveis, design perfeito), este motor t\u00e9rmico teria uma\u00a0efici\u00eancia<\/a>\u00a0de\u00a0Carnot<\/a>\u00a0de<\/p>\n

= 1 – T\u00a0frio<\/sub>\u00a0\/ T\u00a0quente<\/sub>\u00a0= 1 – 315\/549 = 42,6%<\/p>\n

onde a temperatura do reservat\u00f3rio quente \u00e9 de 275,6 \u00b0 C (548,7 K), a temperatura do reservat\u00f3rio frio \u00e9 de 41,5 \u00b0 C (314,7 K).\u00a0Mas a usina nuclear \u00e9 o\u00a0verdadeiro motor t\u00e9rmico<\/strong>\u00a0, no qual os processos termodin\u00e2micos s\u00e3o de alguma forma irrevers\u00edveis.\u00a0Eles n\u00e3o s\u00e3o feitos infinitamente devagar.\u00a0Em dispositivos reais (como turbinas, bombas e compressores), um atrito mec\u00e2nico e perdas de calor causam mais perdas de efici\u00eancia.<\/p>\n

Para calcular a\u00a0efici\u00eancia t\u00e9rmica<\/strong>\u00a0do\u00a0ciclo Rankine<\/strong>\u00a0mais simples\u00a0(sem reaquecimento), os engenheiros usam a\u00a0primeira lei da termodin\u00e2mica em termos de entalpia<\/strong><\/a>\u00a0e n\u00e3o em energia interna.<\/p>\n

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A primeira lei em termos de entalpia \u00e9:<\/span><\/p>\n

dH = dQ + Vdp<\/span><\/strong><\/em><\/p>\n

Nesta equa\u00e7\u00e3o, o termo\u00a0<\/span>Vdp<\/span><\/em><\/strong>\u00a0\u00e9 um\u00a0<\/span>trabalho de processo de fluxo.\u00a0<\/span><\/strong>Este trabalho, \u00a0\u00a0<\/span>Vdp<\/span><\/em><\/strong>\u00a0, \u00e9 usado para\u00a0<\/span>sistemas de fluxo aberto,<\/span><\/strong>\u00a0como uma\u00a0<\/span>turbina<\/span><\/strong>\u00a0ou uma\u00a0<\/span>bomba<\/span><\/strong>\u00a0na qual existe um\u00a0<\/span>“dp”<\/span><\/strong>\u00a0, ou seja, mudan\u00e7a de press\u00e3o.\u00a0N\u00e3o h\u00e1 altera\u00e7\u00f5es no\u00a0<\/span>volume de controle<\/span><\/a>\u00a0.\u00a0Como pode ser visto, essa forma de lei\u00a0<\/span>simplifica a descri\u00e7\u00e3o da transfer\u00eancia de energia<\/span><\/strong>\u00a0.\u00a0<\/span>A press\u00e3o constante<\/span><\/strong>\u00a0, a\u00a0<\/span>mudan\u00e7a de entalpia<\/span><\/strong>\u00a0\u00e9 igual \u00e0\u00a0<\/span>energia<\/span><\/strong>\u00a0transferida do ambiente atrav\u00e9s do aquecimento:<\/span><\/p>\n

Processo isob\u00e1rico (Vdp = 0):<\/span><\/strong><\/p>\n

dH = dQ \u2192 Q = H\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/span><\/strong>1<\/span><\/sub><\/strong><\/p>\n

Na entropia constante<\/span><\/strong>\u00a0, ou seja, no processo isentr\u00f3pico, a\u00a0<\/span>mudan\u00e7a de entalpia<\/span><\/strong>\u00a0\u00e9 igual ao\u00a0<\/span>trabalho do processo de fluxo<\/span><\/strong>\u00a0realizado no ou pelo sistema:<\/span><\/p>\n

Processo isentr\u00f3pico (dQ = 0):<\/span><\/strong><\/p>\n

dH = Vdp \u2192 W = H\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/span><\/strong>1<\/span><\/sub><\/strong><\/p>\n

\u00c9 \u00f3bvio que ser\u00e1 muito \u00fatil na an\u00e1lise de ambos os ciclos termodin\u00e2micos usados \u200b\u200bna engenharia de energia, ou seja, no ciclo de Brayton e no ciclo de Rankine.<\/span><\/p>\n

A\u00a0<\/span>entalpia<\/span><\/strong>\u00a0pode ser transformada em uma\u00a0vari\u00e1vel\u00a0<\/span>intensiva<\/span><\/strong>\u00a0ou\u00a0<\/span>espec\u00edfica<\/span><\/strong>\u00a0dividindo-se pela\u00a0<\/span>massa<\/span><\/a>\u00a0.\u00a0<\/span>Os engenheiros usam mais a\u00a0<\/span><\/strong>entalpia espec\u00edfica<\/span><\/strong>\u00a0na an\u00e1lise termodin\u00e2mica do que a pr\u00f3pria entalpia.\u00a0Ele \u00e9 tabulado nas\u00a0<\/span>tabelas de vapor,<\/span><\/strong><\/a>\u00a0juntamente com o\u00a0<\/span>volume\u00a0<\/span><\/a>espec\u00edfico<\/span><\/a>\u00a0e\u00a0a energia interna espec\u00edfica<\/a>\u00a0.\u00a0A efici\u00eancia t\u00e9rmica desse ciclo simples de Rankine e em termos de entalpias espec\u00edficas seria:<\/span><\/p>\n

\"efici\u00eancia<\/a><\/p>\n

\u00c9 uma equa\u00e7\u00e3o muito simples e, para determinar a efici\u00eancia t\u00e9rmica, voc\u00ea pode usar os dados das\u00a0<\/span>tabelas de vapor<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n

\"Takaishi,<\/a>
Takaishi, Tatsuo;\u00a0Numata, Akira;\u00a0Nakano, Ryouji;\u00a0Sakaguchi, Katsuhiko (mar\u00e7o de 2008).\u00a0\u201cAbordagem para motores a diesel e g\u00e1s de alta efici\u00eancia\u201d (PDF).\u00a0Revis\u00e3o t\u00e9cnica Mitsubishi Heavy Industries.\u00a045 (1).\u00a0P\u00e1gina visitada em 2011-02-04.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

Nas modernas usinas nucleares, a efici\u00eancia t\u00e9rmica geral \u00e9 de cerca de\u00a0<\/span>um ter\u00e7o<\/span><\/strong>\u00a0(33%), de modo que s\u00e3o necess\u00e1rios\u00a0<\/span>3000 MWth<\/span><\/strong>\u00a0de energia t\u00e9rmica da rea\u00e7\u00e3o de fiss\u00e3o para gerar\u00a0<\/span>1000 MWe<\/span><\/strong>\u00a0de energia el\u00e9trica.\u00a0O motivo est\u00e1 na temperatura do vapor relativamente baixa (\u00a0<\/span>6 MPa<\/span><\/strong>\u00a0; 275,6 \u00b0 C).\u00a0Efici\u00eancias mais altas podem ser alcan\u00e7adas aumentando a\u00a0<\/span>temperatura<\/span><\/strong>do vapor.\u00a0Mas isso requer um aumento nas press\u00f5es dentro de caldeiras ou geradores de vapor.\u00a0No entanto, considera\u00e7\u00f5es metal\u00fargicas imp\u00f5em limites superiores a essas press\u00f5es.\u00a0Em compara\u00e7\u00e3o com outras fontes de energia, a efici\u00eancia t\u00e9rmica de 33% n\u00e3o \u00e9 grande.\u00a0Mas deve-se notar que as usinas nucleares s\u00e3o muito mais complexas que as usinas de combust\u00edveis f\u00f3sseis e \u00e9 muito mais f\u00e1cil queimar combust\u00edveis f\u00f3sseis do que gerar energia a partir de combust\u00edveis nucleares.\u00a0As usinas subcr\u00edticas de combust\u00edveis f\u00f3sseis, que s\u00e3o operadas sob\u00a0<\/span>press\u00e3o cr\u00edtica<\/span><\/strong>\u00a0<\/a>(ou seja, inferiores a 22,1 MPa), podem atingir uma efici\u00eancia de 36 a 40%.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Causas de inefici\u00eancia<\/span><\/h2>\n

Como foi discutido, uma efici\u00eancia pode variar entre 0 e 1. Cada mecanismo t\u00e9rmico \u00e9 de alguma forma ineficiente.\u00a0Essa inefici\u00eancia pode ser atribu\u00edda a tr\u00eas causas.<\/span><\/p>\n