Os ciclos térmicos baseados no ciclo Rankine tradicional podem apresentar variações e possibilidades de aumento do desempenho. Na análise do rendimento do ciclo Rankine é fundamental a dependência da temperatura média do calor fornecido e da temperatura média que o calor é rejeitado. Assim o aumento da temperatura e pressão do vapor gerado e ou a diminuição da temperatura do vapor que é destinado ao condensador, promovem o aumento do rendimento térmico do ciclo.
Influência da pressão e temperatura no rendimento do ciclo térmico
Os efeitos da pressão e temperatura no rendimento do ciclo Rankine, podem ser verificados através de alterações na saída da turbina como nas condições do vapor gerado.
A redução da pressão do vapor na saída da turbina com correspondente diminuição da temperatura do calor rejeitado, promove um aumento no trabalho útil produzido pelo fluido de trabalho, resultando em um aumento no rendimento do ciclo térmico. No entanto, a redução da pressão na seção de descarga da turbina provoca uma redução no título do vapor na saída, o que provoca uma diminuição na eficiência da turbina e problemas de erosão nas palhetas das turbinas que se tornam significativos quando a umidade nos estágios de pressão for superior a 10%
(Borgnakke e Sonntag, 2009).
Outra alteração no rendimento do ciclo pode ser obtida pelo efeito do superaquecimento do vapor na caldeira, pois ocorre um aumento na temperatura média do calor transferido ao vapor. Assim o superaquecimento do vapor promove um ganho energético e um aumento do rendimento do ciclo.
O aumento do nível da pressão máxima do vapor gerado nos ciclos de potência promove o aumento do rendimento do ciclo, porém quando o vapor expande nos últimos estágios de baixa pressão das turbinas, o teor de umidade do vapor aumenta, e promove a formação de gotículas de água que podem causar erosão significativa nas pás das turbinas. Esse fenômeno é definido como WDE- Water Drop Erosion, que é uma forma de desgaste esperada em certo grau para turbinas que permitem aproveitar o máximo de energia disponível do vapor principal ou do vapor reaquecido
(Leyzerovich, 2008).
Para modernas turbinas a vapor com longos últimos estágios de pás, a máxima umidade permitida é de 10%. Mesmo em turbinas com pequenos últimos estágios o máximo nível de umidade é entre 12%-13% (Leyzerovich, 2008). Porém, a norma ANSI/ISA-77.13.01-1999
determina que o título mínimo de vapor deve ser de 92% para que se evite corrosão e erosão nas pás da turbina.
Ciclo com reaquecimento do vapor
O ciclo com reaquecimento do vapor permite o melhor aproveitamento do aumento de rendimento promovido pela elevação da pressão no ciclo. A principal vantagem do reaquecimento é evitar a umidade excessiva nos estágios de baixa pressão na saída da turbina.
O principal objetivo do reaquecimento é aumentar a potência produzida e, sob certas condições, a eficiência térmica, melhorando consequentemente o desempenho da planta. Esse aumento depende do valor ótimo da pressão de reaquecimento que é específico para cada configuração do ciclo térmico e do conjunto turbina-caldeira (Habib, et al., 1999).
O ciclo com reaquecimento faz com que o vapor após a expansão, que está na condição próxima da saturação, retorne à condição de vapor superaquecido através de calor fornecido em uma pressão intermediária. Assim há um ganho de rendimento pelo aumento de temperatura média na qual o calor é fornecido, além de favorecer a diminuição da umidade nos estágios de baixa pressão da turbina.
A Figura 6.1 apresenta o ciclo Rankine com reaquecimento, com o percurso do vapor e os estágios de pressão intermediária e baixa pressão de saída da turbina.
O digrama T–s da Figura 6.1 representa as etapas do ciclo Rankine com reaquecimento, onde o ponto 1 representa a admissão do vapor gerado na turbina, a linha 1-2 representa a expansão no primeiro estágio da turbina de alta pressão até uma pressão intermediária, no processo 2-3 o vapor retorna para a caldeira e é reaquecido com pressão constante até a temperatura do ponto 1. Em seguida, em 3-4 o vapor reaquecido é expandido no segundo estágio de baixa pressão da turbina até a pressão de entrada no condensador, no processo 4-5 o vapor saturado é condensado e segue o caminho convencional dentro do ciclo Rankine.
No diagrama (T–s) pode ser verificado por comparação dos pontos 4' e 4 que representam o estado na saída da turbina, um aumento do título do vapor com o ponto 4 mais próximo da região de vapor saturado.
Ciclo regenerativo
O ciclo regenerativo ou regeneração corresponde a uma variação do ciclo Rankine onde ocorre o aquecimento da água de alimentação da caldeira pela utilização de aquecedores. Nos ciclos convencionais a água de alimentação da caldeira está em uma temperatura muito inferior à temperatura de saturação correspondente à pressão de trabalho do gerador de vapor. Assim parte da energia gerada contida no vapor é consumida para aquecer a água até sua temperatura de saturação, resultando em perda de eficiência do ciclo.
O ciclo regenerativo ideal tem como característica o aquecimento da água de alimentação, que ao deixar a bomba circula ao redor da carcaça da turbina, em sentido contrário ao do vapor da turbina. Assim calor é transferido à água enquanto escoa através turbina. Porém não é possível implantar esse ciclo regenerativo ideal, pois seria impossível realizar a transferência de calor requerida entre o vapor e a água na turbina. Além disso, o teor de umidade do vapor que deixa a turbina aumenta consideravelmente (Borgnakke e Sonntag, 2009).
A regeneração consiste em incorporar um trocador de calor ao ciclo termodinâmico, que utiliza como corrente quente o vapor de extração das turbinas, e a corrente fria corresponde a água de alimentação do ciclo termodinâmico. A água é bombeada até o regenerador para aquecimento e troca de calor com o vapor extraído da turbina e em seguida a água é enviada para a caldeira, com temperatura mais próxima da saturação (Kadem, 2007).
Os regeneradores ou aquecedores de água de alimentação são, basicamente, trocadores de calor onde a fonte quente é vapor extraído da turbina e a fonte fria é a água de alimentação do ciclo. Os regeneradores podem ser classificados, de acordo com seu funcionamento em regeneradores abertos e regeneradores fechados (Woodruff et al, 2005).
Ciclo regenerativo real
O ciclo regenerativo real envolve a extração de uma parte do vapor que escoa na turbina após ter sido parcialmente expandido, e utilização em aquecedores de água de alimentação. A Figura 6.2 representa um ciclo regenerativo com aquecedor de água de alimentação de mistura, onde vapor de extração e água de alimentação são misturados no aquecedor.
Conforme o esquema da Figura 6.2, em 1 o vapor gerado é admitido na turbina e após expansão até o estado 2, uma parcela é extraída e enviada ao aquecedor de água de alimentação. Na sequência a corrente remanescente de vapor expande até o estado 3, onde é condensado no condensador. O líquido que sai do condensador em 4 é bombeado para o aquecedor de água de alimentação em 5 onde ocorre a mistura com o vapor extraído da turbina. O vapor que é extraído em 2 condensa à pressão constante no aquecedor, fornecendo calor a água de alimentação que aumenta sua temperatura à pressão constante. Os regeneradores com essa característica são denominados de aquecedores de água de alimentação (Moran e Shapiro, 2006).
A vazão de vapor a ser extraída da turbina deve ser suficiente para deixar a mistura na condição de líquido saturado após o aquecedor. Na saída do aquecedor em 6, a mistura aquecida
Figura 6.2. Esquema do ciclo regenerativo com aquecedor de água de alimentação (Borgnakke e Sonntag, 2009)
ainda não está na pressão da caldeira, assim é necessário a instalação de outra bomba para novo bombeamento até a pressão da caldeira. A mistura no ponto 6 deve ser mantida na condição de líquido saturado, com intuito de evitar uma mistura bifásica na entrada da bomba, condição inviável para operação adequada da bomba.
O rendimento do ciclo regenerativo será mais próximo do rendimento do ciclo ideal, quanto maior o número de extrações de vapor e regeneradores em um ciclo, porém quanto maior o número de regeneradores, menor a quantidade de trabalho útil que será produzido pela turbina (Kadem,
2007).
Outro tipo de regenerador utilizado é o aquecedor de superfície ou fechado. Estes são aquecedores em que o vapor e a água de alimentação não se misturam, assim o vapor extraído transfere calor para a água de alimentação e condensa na parte externa dos tubos, e a água de alimentação escoa no interior dos tubos. Nesse tipo de aquecedor a pressão do vapor de extração pode ser diferente da pressão da água de alimentação. O vapor condensado pode ser misturado a agua de alimentação ou removido.
A maior parte dos regeneradores fechados são compostos por um elevado número de tubos em formato de U. Esses tubos são aparados por defletores e reforços que direcionam o escoamento, minimizam a vibração, a erosão e promovem uma alta taxa de transferência de calor. Esses trocadores são, tipicamente, longos e horizontais (Woodruff et. al., 2004).