O Ciclo Rankine Convencional
O ciclo Rankine convencional é um ciclo termodinâmico que utiliza água como fluido de trabalho. As usinas sucroalcooleiras e de ciclo combinado utilizam, em seus processos, o ciclo Rankine. Os principais componentes que compõem este ciclo são: (i) bomba, (ii) evaporador, (iii) turbina e (iv) condensador, conforme Figura 1.
A água é bombeada de uma pressão baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba (processo 1-2). A água pressurizada entra no economizador e no evaporador, onde é aquecida até se tornar vapor superaquecido (processo 2-3). O vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho de eixo (processo 3-4). Por fim, o vapor entra no condensador, onde é resfriado até a condição de líquido saturado (processo 4-1).
A Figura 2 mostra o diagrama T-s (temperatura vs. entropia) representativo do ciclo Rankine convencional. Observa-se que a curva de vapor saturado possuí inclinação negativa, características de fluidos úmidos. Por esta razão, o fluido na saída da turbina é constituído de uma mistura de vapor e água saturada.
A presença de líquido dentro da turbina pode causar erosão nas palhetas do equipamento e, também, redução da sua eficiência. Tipicamente, o requisito mínimo de umidade é de 85%. Para satisfazê-lo, o fluido na entrada da turbina deve ser superaquecido, demandando grandes quantidades de calor. Em usinas do tipo ciclo combinado, a temperatura dos gases de exaustão das turbinas a gás, responsáveis pelo superaquecimento da água do ciclo Rankine, é de 600ºC, aproximadamente.
Para fontes de calor de mais baixa temperatura, duas alternativas podem ser adotadas. A primeira é aumentar a área de troca de calor da caldeira. Em contra partida, o custo do equipamento também aumenta. Outra possibilidade é a substituição da água por outro fluido de trabalho que possua propriedades termodinâmicas adequadas à temperatura disponível.
Ciclo Rankine Orgânico
Outros fluidos de trabalho podem ser utilizados no ciclo Rankine, no entanto, a escolha do fluido dependerá da temperatura de trabalho disponível pela fonte quente. Quando se pretende trabalhar a altas temperaturas (acima de 400 °C), fluidos com altas temperaturas críticas (como o mercúrio ou o potássio) são preferíveis. Por ser facilmente encontrado, não tóxico e de baixo custo, o fluido mais utilizado para temperaturas medianas é a água.
Entretanto, para temperaturas reduzidas, inferiores a 300ºC, o ciclo Rankine orgânico (ORC – Organic Rankine Cycle) apresenta vantagens significativas em eficiência quando comparado ao ciclo Rankine convencional. Tal ciclo recebe esta denominação devido ao fato de trabalhar com fluidos orgânicos, como refrigerantes, iso-butano, n-pentano, n-hexano, etc. Além do ganho com eficiência, devido ao reduzido calor de evaporação dos fluidos orgânicos, o ORC oferecem a vantagem de maior vida útil e menores custos de manutenção, uma vez que é possível utilizar turbinas mais simplificadas devido à reduzida diferença de entalpia na expansão.
O ciclo Rankine orgânico pode ser utilizado em diversos setores industriais, melhorando a eficiência térmica dos processos e, consequentemente, reduzindo as emissões de gases que causam o efeito estufa, como o CO2. Pode-se listar as seguintes aplicações para o ciclo orgânico:
- Turbinas a gás e motores alternativos;
- Indústria de cerâmica;
- Siderurgia (saída dos altos fornos);
- Biomassa;
- Petroquímica;
- Mineração;
- Usinas termosolares; e
- Usinas geotérmicas.
A GT2 Energia desenvolveu um protótipo de laboratório, inédito no Brasil, capaz de demonstrar o princípio de funcionamento de um ORC, aproveitando calor de rejeito de diversos processos. Assista um vídeo demonstrativo aqui.