UNISUL – Universidade do Sul de Santa Catarina

Curso: Engenharia Química

Disciplina: Máquinas Térmicas

SIMULAÇÃO E ANÁLISE DE CICLO RANKINE EM

SOFTWARE DE SIMULAÇÃO DE PROCESSOS EM

ENGENHARIA

Alunos:

Diogo Quirino Buss

Gabriel Sirqueira Sombrio

Professor orientador:

Dile Pontarolo Stremel

Tubarão, junho de 2008.

1 INTRODUÇÃO

Ciclos de vapor são comuns em indústrias, máquinas e equipamentos, usinas de

geração de energia, enfim,em boa parte dos processos onde se quer realizar um trabalho

mecânico ou gerar energia. Um dos ciclos de vapor mais comuns é o Ciclo Rankine,

onde uma fonte quente transfere calor para uma fonte fria por meio de um sistema

envolvendo bombeamento, condensação e geração de trabalho mecânico (normalmente

numa turbina).

Este trabalho tem como finalidade a simulação e análise de um ciclo de vapor do

tipo Rankine por meio de uma ferramenta computacional, e de estratégias para melhoria

da eficiência desta classe de ciclos de vapor.

2 ANÁLISE DE CICLOS DE VAPOR DO TIPO RANKINE

Com o intuito de analisar o rendimento de ciclos de vapor, por meio de

ferramentas computacionais, efetuou-se a simulação de um ciclo do tipo Rankine do

software Coco Simulator (COFE v.1.11), para simulação de processos em Engenharia.

A simulação para um ciclo Rankine com um único estágio (1 turbina) pode ser

visualizado abaixo (Figura 1). Os dados de pressão mínima e máxima do ciclo foram

estipulados em 10,00kPa e 6,00MPa respectivamente, vazão molar de fluido (foi

utilizado água/vapor) de 50.000,00 mol/s e temperatura de saída no condensador de

300K (conforme Figura 1).

Figura 1 – Simulação de Ciclo Rankine mono estágio.

Calculando o rendimento do ciclo:

ou

O rendimento obtido é extremamente baixo, abaixo da média para os ciclos

Rankine (15 à 35%).

Refazendo a simulação para um sistema com 3 turbinas, consegue-se um

considerável aumento no rendimento do ciclo. Este aumento na eficiência deve-se ao

melhor aproveitamento da energia do vapor superaquecido, pois este sai superaquecido

da 1ª turbina. Utilizando o mesmo em outra turbina, consegue-se realizar trabalho

também nessa 2ª turbina, e também numa terceira, conforme simulação abaixo (Figura

2):

Figura 2 – Simulação de Ciclo Rankine com 3 estágios.

Calculando o rendimento do ciclo:

ou

Há a possibilidade de melhorar ainda mais a eficiência do ciclo, utilizando mais

uma turbina de baixa pressão (dispor 4 turbinas no ciclo por exemplo), a fim de que o

vapor superaquecido seja aproveitado em mais estágios de geração de trabalho. Para

isto, foi realizada uma nova simulação, conforme os dados abaixo (Figura 3):

Figura 3 – Simulação de Ciclo Rankine com 4 estágios.

Calculando o rendimento do ciclo:

ou

Observa-se um ganho de rendimento considerável, em torno de 1,63% em

relação ao sistema com três turbinas. Comparando com o sistema de apenas uma

turbina, o rendimento é ainda mais expressivo, cerca de 10,22%.

3 CONCLUSÃO

A utilização de mais turbinas em sistemas de geração de vapor de ciclos do tipo

Rankine (sistemas de múltiplos estágios) é bastante comum, com o intuito de aumentar

o rendimento do ciclo consideravelmente via melhor aproveitamento da energia

(entalpia) presente no vapor superaquecido.

Nas simulações propostas observa-se um grande aumento no rendimento do

ciclo de vapor por meio dessa estratégia, sendo um salto de 8,38% num sistema mono

estágio, para 16,97% num sistema de múltiplos estágios com 3 turbinas. Para 4 turbinas,

o rendimento sobe para a marca de 18,60%. Além do incremento no rendimento,

observa-se que o trabalho líquido também apresenta um salto considerável.

Propõe-se para trabalhos futuros a análise de outras formas para incremento de

rendimento nos ciclos Rankine, como por exemplo a diminuição da pressão de saída na

turbina(s).

REFERÊNCIAS

JÚNIOR, Silvio de Oliveira. Ciclos motores a vapor . Notas de aula. USP, São Paulo,

2001.

STREMEL, Dile P. Máquinas Térmicas. UNISUL, Tubarão, 2008.

SHIMIZU, Silvio Seiti. Simulação de Sistemas de Cogeração. ITA, São José dos

Campos, 200?.

ANEXO A – Diagrama T x S para um ciclo Rankine mono estágio

ANEXO B – Diagrama T x S para um ciclo Rankine de múltiplos estágios (2

estágios)