Simulação Ciclo de Rankine com Reaquecimento Gustavo de Oliveira Carvalho ∗ José Vinicius Rodrigues Soares Laura Barbosa da Cruz ∗∗∗ ∗∗ ∗ Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Oeste da Bahia, BA, (e-mail: gustavo.c2319@ufob.edu.br). ∗∗ Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Oeste da Bahia, BA, (e-mail: jose.soares@ufob.edu.br). ∗∗∗ Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Oeste da Bahia, BA, (e-mail: laura.c8582@ufob.edu.br). Abstract: In this study, the operational characteristics of not only a simple Rankine cycle, but also a cycle with reheating are presented, with the aim of illustrating the improvement in efficiency. The simulations of these cycles were conducted to carry out a comparative analysis between the results obtained and the data available in the literature. During the simulations, a series of graphs were generated to examine the relationships between pressure and entropy, pressure and enthalpy, as well as pressure and efficiency. Resumo: Neste estudo, apresentam-se as caracterı́sticas operacionais não apenas de um ciclo de Rankine simples, mas também de um ciclo com reaquecimento, com o objetivo de ilustrar o aprimoramento na eficiência. As simulações desses ciclos foram conduzidas para realizar uma análise comparativa entre os resultados obtidos e os dados disponı́veis na literatura. Durante as simulações, uma série de gráficos foram gerados para examinar as relações entre pressão e entropia, pressão e entalpia, bem como pressão e eficiência. Keywords: Rankine Cycle, Rankine Cycle with Reheating, Efficiency. Palavras-chaves: : Ciclo de Rankine Simples, Ciclo de Rankine com Reaquecimento, Rendimento. 1. INTRODUÇÃO Figura 1. Ciclo de Rankine ideal com Reaquecimento. O ciclo de Rankine simples é um processo termodinâmico que utiliza principalmente a água como fluido de trabalho. É composto por quatro componentes essenciais: o evaporador, a turbina, o condensador e a bomba. Nesse ciclo, a água é aquecida no evaporador, transformada em vapor, expande na turbina, condensa no condensador e é pressurizada novamente pela bomba. No entanto, o ciclo simples tem eficiência limitada devido às variações de temperatura durante a expansão. Sabe-se que o aumento da pressão da caldeira aumenta a eficiência térmica do ciclo de Rankine, mas também aumenta o conteúdo de umidade do vapor até nı́veis inaceitáveis. Com isso, o ciclo de Rankine com reaquecimento é uma versão aprimorada do ciclo simples de Rankine. Ele inclui um estágio adicional em que o vapor é reaquecido após a expansão na primeira turbina. Isso aumenta a eficiência global do ciclo, uma vez que o reaquecimento permite que o vapor mantenha uma temperatura mais alta durante a expansão na segunda turbina, melhorando a eficiência termodinâmica. O ciclo de Rankine com reaquecimento é uma estratégia eficaz para melhorar a eficiência das usinas de potência a vapor, conforme ilustrado no diagrama da figura 1. A principal vantagem do ciclo de Rankine com reaquecimento em comparação com o ciclo de Rankine simples reside no aumento da eficiência, graças à introdução de um estágio adicional, que é o reaquecimento do fluido. Fonte: ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A.(2013) As ferramentas computacionais desempenham um papel crucial em todas as áreas, incluindo a engenharia, ao simplificar e acelerar as análises. Dessa forma, neste trabalho foi empregado o uso de dois softwares MATLAB e MINI-REFPROP para simular o ciclo de Rankine Figura 2. Ciclo de Rankine ideal com Reaquecimento. Figura 3. Entropia x Pressão. Fonte: SELEGHIM (2018) Fonte: Autoria própria com reaquecimento e confrontar com os resultados teóricos. 2. METODOLOGIA Figura 4. Entalpia x Pressão. Neste trabalho, buscou-se analisar o funcionamento do ciclo de Rankine com reaquecimento em duas condiçoes distintas de pressão e temperatura. Na primeira condição, foi efetuado o modelo matemático da planta do ciclo de Rankine com Reaquecimento, conforme ilustrado na Figura 2. Com auxı́lio do software MINI-REFPROP, gerou-se uma tabela variando a pressão na válvula de 75kPa a 3000kPa, com incremento de 75kPa, e com temperatura da caldeira de 350ºC. Na segunda condição, foi realizada, para fins de análise comparativa. Desta vez, a temperatura na caldeira foi fixada em 600°C, com uma pressão de 15 MPa. A pressão no condensador permaneceu a mesma, ou seja, 75 kPa, e o tı́tulo igual a zero. Por fim, a pressão na válvula foi ajustada entre 1 MPa e 15 MPa, com incrementos de 0,375 MPa. Fonte: Autoria própria 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Figura 5. Rendimento x Pressão. Nesta seção, serão apresentados os resultados das simulações realizadas no ambiente MATLAB para os ciclos de Rankine com reaquecimento. Simulação 1: As Figuras 3, 4 e 5 ilustram os desdobramentos da primeira simulação. Ao analisar a Figura 3, é perceptı́vel que a relação entre pressão e entropia no ponto 4 da Figura 2, exibe um decaimento exponencial, que se aprofunda à medida que a pressão se eleva. A Figura 4 mostra uma relação linear no ponto 4 da Figura 2, na qual a entalpia decresce de forma proporcional ao aumento da pressão, estabelecendo, assim, uma relação inversamente proporcional entre ambas. Por fim, na Figura 5, podemos discernir o ponto de eficiência máxima do ciclo, que se situa a uma pressão de 1,3 MPa, gerando uma eficiência de aproximadamente 26,60%. Simulação 2: As Figuras 6, 7 e 8 apresentam os resultados da segunda simulação. Para as Figuras 7 e 8, as mesmas Fonte: Autoria própria Figura 6. Entropia x Pressão. 4. CONCLUSÃO Os resultados obtidos revelaram-se altamente satisfatórios. Foi possı́vel examinar o comportamento do ciclo de Rankine com reaquecimento e observar que, ao comparar as condições das simulações 1 e 2, constatou-se um notável incremento de eficiência, atingindo um impressionante aumento de 12,82%. Isso ressalta que as condições adotadas nas simulações capacitam a obtenção de uma eficiência notavelmente superior. 5. REFERÊNCIAS ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A. Termodinâmica. 2013. BORGNAKKE, C.; SONNTAG, R. E. Fundamentos da termodinâmica. [S. l.]: Editora Blucher, 2018. Fonte: Autoria própria Figura 7. Entalpia x Pressão. Fonte: Autoria própria Figura 8. Rendimento x Pressão. Fonte: Autoria própria análises aplicadas às Figuras 4 e 5 permanecem válidas. Na Figura 8, é possı́vel identificar o ponto de eficiência máxima, que ocorre a uma pressão de 3,1 kPa, resultando em uma eficiência de aproximadamente 39,42%. SELEGHIM, Paulo. Otimização de um ciclo de Rankine com reaquecimento de vapor. Youtube: 21/05/2018. Disponı́vel em: < otimização de um ciclo de Rankine com reaquecimento de vapor - YouTube >. Acesso em: 25/10/2023.
