Fundamentos e Otimização de Ciclos Térmicos e Componentes

1. Ciclo Rankine Regenerativo: Definição e Componentes

O ciclo Rankine regenerativo é um conjunto de máquinas e aparelhos térmicos utilizados num ciclo a vapor para a produção de potência.

Classificação dos Componentes:

• Caldeira, Regeneradores e Condensador: Aparelho térmico.
• Turbina: Máquina térmica de fluxo motora.
• Bomba: Máquina geradora de fluxo.

2. Melhorias de Eficiência no Ciclo Rankine

As tecnologias existentes para melhorar a eficiência de um ciclo Rankine podem ser divididas em duas abordagens principais:

• Aumentar a temperatura média termodinâmica de adição de calor:
  • Aumentando a pressão de operação da caldeira (não acrescenta processo).
  • Fazendo reaquecimento e aquecimento regenerativo (acrescenta processo).
• Diminuir a temperatura média termodinâmica de rejeição de calor:
  • Vácuo no condensador (não acrescenta processo).

3. Poder Calorífico: PCI vs. PCS

Poder calorífico é a capacidade de liberação de energia da queima completa de 1 kg de combustível com O₂, com os reagentes nas condições de referência.

• PCS (Poder Calorífico Superior): A água dos gases de exaustão sai no estado líquido.
• PCI (Poder Calorífico Inferior): A água dos gases de exaustão sai no estado gasoso.

4. Eficiência Energética de Combustíveis

Classificação dos tipos de combustível quanto à eficiência energética, do menos eficiente para o mais eficiente:

1. Carvão: Apresenta perda por cinzas e alta temperatura dos gases de exaustão devido ao enxofre.
2. Diesel: Gera cinza em menor quantidade e gases de exaustão a alta temperatura devido ao enxofre (em menor proporção que o carvão).
3. Gás Natural: Não gera cinzas e é isento de enxofre, resultando em gases de exaustão a baixa temperatura.

5. Tipos de Turbina: Conversão e Pressão de Saída

As turbinas podem ser classificadas quanto ao método de conversão de energia e à pressão na saída:

• Quanto à Pressão de Saída:
  • Contrapressão: Pressão na saída maior ou igual à pressão atmosférica.
  • Condensação: Pressão na saída menor do que a atmosférica.
• Quanto ao Método de Conversão de Energia:
  • Ação: A conversão da energia ocorre somente nas paletas fixas.
  • Reação: A conversão de energia ocorre parte nas paletas fixas e parte nas móveis.

6. Função do Desaerador no Ciclo Rankine

A função do desaerador (também conhecido como aquecedor aberto) num ciclo Rankine é dupla:

• Pré-aquecer, aumentando a temperatura média termodinâmica de adição de calor.
• Retirar o ar infiltrado para evitar cavitação nas bombas.

7. Tipos de Caldeira: Classificação e Aplicações

As caldeiras são classificadas principalmente em:

• Flamotubular:
  • Caminho dos gases: Gases dentro dos tubos.
  • Aplicação: Utilizada em outros processos industriais (ex: caldeira de restaurante universitário - RU).
• Aquotubular:
  • Caminho dos gases: Água dentro dos tubos.
  • Aplicação: Amplamente utilizada em termelétricas e uso industrial.

8. Torres de Resfriamento: Uso, Vantagens e Desvantagens

O uso de torres de resfriamento é aconselhável em caso de restrição ambiental para descarte de água quente ou quando a disponibilidade de água é limitada.

• Vantagens: Solução eficaz em caso de restrição ambiental.
• Desvantagens: Menor eficiência do ciclo, alto custo de instalação e gastos contínuos com água de reposição.

9. Condensadores: Resfriamento a Ar vs. Água

A escolha entre condensadores resfriados a ar ou a água depende das condições ambientais e restrições:

• Condensadores a Ar: Aconselháveis em países frios (temperatura ambiente < 0ºC) devido ao risco de congelamento da água.
• Condensadores a Água: Aconselháveis quando não há restrições ambientais significativas para o descarte de água ou quando a disponibilidade de água é abundante.