Ciclo Rankine

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Após tais avanços no estudo da produção de energia a partir do vapor, sabe-se historicamente que a Europa e os Estados Unidos foram os primeiros a desenvolver tecnologias de centrais termelétricas. No qual essas tecnologias começaram a atrelar recursos energéticos não renováveis com o funcionamento dessas centrais, como é o caso do petróleo, carvão e urânio.

Diante do enorme potencial a ser explorado e do crescente consumo de energia elétrica no Brasil, as centrais termoelétricas são consideradas uma das principais fontes de energia para abastecer o país com energia elétrica. Além disso, as centrais nucleares vêm ganhando bastante espaço em todo mundo. Por tal fato, é de suma importância o estudo e pesquisas voltados ao ciclo Rankine e os sistemas termodinâmicos. Por conta disso, é visto que o mundo acadêmico estuda bastante o ciclo a fim de obter melhorias.

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O CICLO RANKINE

O ciclo Rankine ideal é considerado o ciclo modelo para as usinas termelétricas, pois é o que mais se aproxima do ciclo real destas. Na forma mais básica consiste em quatro componentes: uma bomba, um gerador de vapor exemplo caldeira, uma turbina e um condensador.

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Figura 1 - Esquema do ciclo Rankine

O fluido mais utilizado no ciclo de Rankine é a água. O ciclo é composto de 4 processos:

- O fluido entra na bomba onde ocorre a compressão do fluido. No processo ideal é suposto que esse processo é irreversível e adiabático.

- O líquido já comprimido entra no gerador de vapor (caldeira) onde é aquecida até chegar no estado de vapor superaquecido. No ciclo ideal a caldeira ou o gerador de vapor são considerados aparelhos reversíveis internamente à pressão constante.

- Ao sair do gerador de vapor, o fluido no estado de vapor superaquecido vai para a turbina onde ele se expande e gera trabalho na turbina através da rotação do eixo, geralmente está acoplada a um gerador elétrico. Na turbina assume-se que o processo de expansão da água é adiabática e reversível internamente ( isentrópico)

- O vapor deixa a turbina e vai para o condensador, onde ocorre a transferência de calor na vizinhança. Num condensador ideal a água que está no estado de vapor ou bifásica (líquido e vapor), passa por um processo reversível internamente a pressão constante.

As expressões que tratam do trabalho e do calor trocado para os quatro processos básicos são obtidas aplicando a 1° Lei da termodinâmica. Considerando um ciclo ideal as variações de energia cinética e potencial são consideradas nulas, pois seus valores são desprezíveis.

Por serem processos adiabáticos e reversíveis na turbina e na bomba. A equação do trabalho da bomba e da turbina resume-se a:[pic 12]

Considerando-se nula as interações de trabalho nos processos que ocorrem no gerador de vapor e no condensador, a transferência de calor é dada pela diferença de entalpia em suas entradas e saídas, resume-se em:

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A eficiência térmica do ciclo é dada pela razão entre o trabalho líquido produzido durante o ciclo e a transferência de calor à água no gerador de vapor:

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APLICAÇÕES

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Aplicação do ciclo Rankine nas centrais nucleares

Como no ciclo Rankine converte-se calor em trabalho, este calor geralmente é oferecido por uma fonte externa que neste caso será cedida pela fissão nuclear do Urânio 235. Primeiramente ocorre o bombeamento da água(processo adiabático) de um reservatório até os tubos que passam pelo reator, o calor produzido pela fissão é cedido a água que passa por dentro do reator (processo isobárico) e sai como vapor superaquecido (que pode chegar á 1500°C a uma pressão de 157 atm) ,que é então direcionado por tubos que passam pelo vaporizador, onde o calor cedido pelo vapor do reator, irá evaporar a água que lá está , este vapor do vaporizador será direcionado até a turbina onde irá girar as pás (processo adiabático) realizando trabalho, este trabalho que irá fazer com que um gerador produza energia elétrica. Então este vapor que girou as pás segue para um condensador onde o vapor irá passa e será resfriado pra depois então ser bombeado e retornar ao estado inicial, porem Para que o condensador transforme o vapor em água, é necessário que ele seja abastecido de água fria, sendo essa água fria normalmente vinda de rios e lagos próximos. Quando está água passa pelo condensador, ela entra em equilíbrio com o vapor, absorvendo o calor que é cedido pelo vapor a uma temperatura mais elevada, necessitando assim ser resfriada nas torres de resfriamento (que por curiosidade é a maior parte de uma usina nuclear), para assim depois ser devolvida de onde foi retirada.

Vale ressaltar que a central nuclear é formada por três circuitos:

- Circuito primário: parte composta pelo reator que irá ceder calor para o vaporizador;

- Circuito secundário: parte composta pelo vaporizador, turbina, condensador e bomba (ciclo Rankine), o qual irá transformar o calor cedido em trabalho, que será transformado em energia elétrica;

- Circuito terciário: composta por um reservatório, como rio, mar, ou lago, uma bomba e pela torre de resfriamento, tem como principal objetivo resfriar o vapor, para que se torne liquido novamente, e devolve-lo ao seu local de origem com temperatura semelhante ao que foi retirado.

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Figura 2 - Central Nuclear

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Termelétricas

É importante também citar as termoelétricas, que são usadas em maior escala no Brasil, utilizam como principais combustíveis o carvão, petróleo (óleo combustível), xisto, gás natural. E funcionam basicamente através do ciclo Rankine:

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Figura 3 - Termelétrica

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