Ciclo Rankine

COORDENADORIA DE ENGENHARIA MECÂNICA ENZO FERNANDO NUNES SOARES PEDRO LUIZ SANTOS DA COSTA YONATHAN JOÃO DA SILVA ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UM REATOR DE RANKINE EM ESCALA LABORATORIAL PARA EXPERIMENTOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA S OROCABA SP 20 2 5 Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Engenharia de Sorocaba FACENS como parte dos pré requisitos para obtenção do título de Engenheiro Mecânico Orientador Prof Gustavo Figueira RESUMO A crescente demanda energética e os desafios relacionados à sustentabilidade reforçam a importância de estudar ciclos termodinâmicos aplicados à geração de energia Este trabalho tem como objetivo o estudo e desenvolvimento de um reator de Rankine em escala laboratorial visando sua aplicação como recurso didático no ensino de ciclos de potência e eficiência energética O projeto parte da necessidade de aproximar teoria e prática no curso de engenharia permitindo a visualização experimental da conversão de energia térmica em energia mecânica A pesquisa contempla a revisão dos fundamentos do Ciclo de Rankine seus principais componentes caldeira turbina condensador e bomba e variações tecnológicas bem como as exigências de segurança estabelecidas pela NR13 A metodologia adotada envolveu a seleção de materiais acessíveis e a adaptação de equipamentos como o uso de um extintor como caldeira e um mini gerador como turbina além da implementação de instrumentação para monitoramento de temperatura e pressão Os resultados obtidos indicam que o protótipo construído cumpre a função de demonstrar em ambiente acadêmico os princípios do Ciclo de Rankine oferecendo suporte ao aprendizado prático e à análise de eficiência energética em pequena escala Concluise que o reator pode ser utilizado como ferramenta de apoio em disciplinas de termodinâmica e ciclos de potência contribuindo para a formação de engenheiros mais preparados para os desafios energéticos atuais Palavraschave Ciclo de Rankine Eficiência Energética Protótipo Didático Engenharia Mecânica Termodinâmica LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 D iagrama ts para ciclo de R ankine 13 Figura 2 C omponentes do ciclo de R ankine 15 Figura 3 C iclo de R ankine com reaquecimento 20 Figura 4 D iagrama t x s com reaquecimento 21 Figura 5 E squema do ciclo rankine orgânico 22 Figura 6 D iagrama ts ciclo de R ankine 27 LISTA DE TABELAS Tabela 1 C omparação de projetos laboratorial de ciclo de R ankine 29 LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1 L ei de C onservação de energia C alor na caldeira 16 Equação 2 L ei de C onservação de energia T rabalho na turbina 17 Equação 3 L ei de C onservação de energia C alor no condensador 18 Equação 4 L ei de C onservação de energia T rabalho na bomba 19 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 9 2 REVISÃO DE LITERATURA 12 21 CICLO DE RANKINE 12 211 Princípios Fundamentais 12 212 Componentes principais 14 2121 Caldeira 15 2122 Turbina 16 2123 Condensador 17 2124 Bomba de alimentação 18 213 Variações do Ciclo de Rankine 19 2131 Ciclo de Rankine com reaquecimento 19 2132 Ciclo de Rankine Orgânico 21 2133 Sistemas de cogeração 22 22 Segurança e LEGISL 23 221 Segurança e processos 24 3 ESTADO DA ARTE 26 311 Trabalhos publicados relacionados à Ciclo de Rankine 27 4 MATERIAIS E MÉTODOS 31 41 Caldeira 32 42 Turbina 33 43 Condensador 34 44 Tubulação 36 45 Bomba 39 46 Fluido 40 47 Instrumentação 42 471 PT100 42 472 Manômetro 43 5 REFERÊNCIAS 45 INTRODUÇÃO A crise energética é um desafio global que afeta países com diferentes níveis de desenvolvimento e estruturas energéticas No Brasil embora a matriz energética seja a maior parte fonte renovável a dependência das hidrelétricas expõe o país a riscos em períodos de seca levando ao acionamento de termelétricas mais caras e poluentes G npw 2024 Ambos os casos demonstram como a falta de investimentos em diversificação e modernização do setor elétrico pode comprometer a segurança energética e impactar diretamente a população e a economia A crise energética global evidencia a necessidade de formar engenheiros capacitados para desenvolver soluções inovadoras e sustentáveis que destaca a importância da disciplina de Eficiência Energética nos currículos de engenharia Haley e Firmino 2024 A falta de diversificação e modernização do setor elétrico no Brasil reforça a relevância de preparar futuros profissionais para lidar com desafios como a dependência de fontes instáveis e o alto custo ambiental de alternativas poluentes Nesse contexto a implementação de projetos didáticos contribui diretamente para a formação prática dos estudantes permitindo que experimentem soluções aplicáveis à otimização de sistemas energéticos Assim a integração entre teoria e prática no ensino de engenharia não apenas qualifica novos profissionais mas também fomenta a inovação na busca por um sistema energético mais eficiente Os desafios energéticos globais e a necessidade de aprimorar o ensino de eficiência energética ressaltam a importância do Ciclo de Rankine amplamente utilizado em usinas termoelétricas para a conversão de calor em trabalho mecânico Esse ciclo opera por meio de quatro etapas fundamentais compressão do fluido de trabalho na bomba de alimentação aquecimento e vaporização na caldeira expansão na turbina para conversão de energia térmica em mecânica e condensação para fechamento do ciclo no condensador permitindo a recirculação do fluido No Brasil as termoelétricas desempenham um papel essencial Em 2021 durante uma das piores secas em 91 anos as termelétricas chegaram a fornecer 32 da energia diária consumida no país enquanto a geração hidrelétrica caiu cerca de 50 no consumo diário Borges 2021 No entanto a eficiência dessas usinas depende diretamente da otimização do Ciclo de Rankine pois perdas térmicas e limitações na conversão de energia afetam a viabilidade econômica e ambiental do sistema Assim o aprofundamento teórico e experimental nesse ciclo se torna crucial para o desenvolvimento de soluções que reduzam o consumo de combustíveis fósseis minimizem impactos ambientais e garantam maior estabilidade ao sistema elétrico brasileiro O ensino de eficiência energética associado ao Ciclo de Rankine tem sido amplamente explorado em programas de engenharia utilizando metodologias que integram conceitos teóricos e aplicações práticas De acordo com Moran e Shapiro 2015 em Fundamentals of Engineering Thermodynamics a análise detalhada do ciclo permite que os estudantes compreendam os princípios da conversão de energia térmica em trabalho e identifiquem estratégias para melhorar seu desempenho A implementação de softwares de simulação e experimentos laboratoriais auxilia no desenvolvimento de uma visão crítica sobre os fatores que afetam a eficiência do ciclo como irreversibilidades termodinâmicas e avanços tecnológicos na recuperação de calor Dessa forma a formação de engenheiros capacitados para analisar e aprimorar esses sistemas é fundamental para garantir maior estabilidade energética e reduzir os impactos ambientais da geração termoelétrica no país Os protótipos laboratoriais do Ciclo de Rankine apresentam ampla variação de eficiência sendo fortemente influenciados pelo design do sistema o fluido de trabalho e as condições operacionais Estudos demonstram que sistemas de baixa pressão frequentemente registram eficiências inferiores a 001 devido a perdas térmicas elevadas e limitações na conversão de calor em trabalho útil Em comparação configurações de Ciclo Rankine Orgânico ORC que utilizam fluidos de trabalho com menor ponto de ebulição podem atingir eficiências térmicas entre 19 e 46 tornandose alternativas viáveis para recuperação de calor residual No entanto a complexidade desses sistemas e o custo de implementação ainda são desafios para a aplicação em modelos didáticos Além disso a dependência de combustíveis fósseis e a baixa automação são obstáculos frequentes em experimentos acadêmicos reduzindo a precisão e o potencial de inovação desses estudos Essas limitações reforçam a necessidade de pesquisa contínua na área explorando formas de aprimorar a eficiência energética em escala laboratorial seja por meio da otimização dos parâmetros operacionais do uso de novas tecnologias de recuperação de calor ou da implementação de estratégias avançadas de controle térmico Diante da relevância dos conceitos abordados e da necessidade de uma abordagem mais prática para o ensino de Ciclos de Potência o desenvolvimento do projeto de um reator de Rankine representa uma ferramenta didática Como a complexidade teórica desses ciclos dificulta a absorção do conteúdo pelos alunos tornase essencial a utilização de experimentos práticos para reforçar o aprendizado Portanto ao proporcionar uma visualização real do funcionamento do Ciclo de Rankine o projeto não apenas atende ao objetivo de estudar a eficiência energética do sistema mas também contribui diretamente para a formação acadêmica dos estudantes da universidade Ao alcançar um nível satisfatório de desenvolvimento ele poderá ser incorporado como um equipamento didático no laboratório da disciplina de Ciclos de Potência auxiliando futuras turmas na compreensão dos princípios termodinâmicos e no aperfeiçoamento de técnicas de análise e otimização energética REVISÃO DE LITERATURA CICLO DE RANKINE Princípios Fundamentais O ciclo de Rankine constitui um modelo termodinâmico essencial para a conversão de energia térmica em energia mecânica sendo amplamente empregado em sistemas de geração de energia elétrica especialmente em usinas termoelétricas a vapor Esse ciclo descreve o funcionamento de máquinas térmicas que utilizam vapor dágua como fluido de trabalho explorando as transições de fase e as propriedades termodinâmicas da água para maximizar a conversão energética Moran e Shapiro 2015 Para mitigar as limitações e aprimorar o desempenho do ciclo termodinâmico diversas estratégias de engenharia térmica são aplicadas Uma delas é o superaquecimento do vapor que consiste em elevar sua temperatura além do ponto de saturação antes da entrada na turbina Esse procedimento permite um aumento da eficiência térmica conforme estabelecido pela equação de Carnot além de reduzir a umidade na saída da turbina mitigando o desgaste mecânico dos componentes Çengel e Boles 2014 Outra técnica importante é o reaquecimento no qual o vapor após sofrer uma primeira expansão na turbina de alta pressão é redirecionado para a caldeira ou para um reaquecedor Lá é novamente aquecido até atingir uma temperatura elevada retornando ao ciclo para passar por uma segunda etapa de expansão Essa estratégia contribui significativamente para a redução das irreversibilidades do processo e para o aumento do trabalho líquido produzido Moran e Shapiro 2015 Além disso destacase a técnica da regeneração que tem como base a extração de vapor em pontos intermediários da turbina o qual é utilizado para préaquecer a água de alimentação antes de sua entrada na caldeira Ao aproveitar parte da energia do vapor para esse préaquecimento reduzse a quantidade de energia necessária para o aquecimento completo do fluido o que resulta em uma melhoria da eficiência global do ciclo Carpio et al 2015 A combinação dessas técnicas representa avanços fundamentais na engenharia de sistemas térmicos especialmente em aplicações que exigem maior desempenho energético e menor impacto ambiental A escolha da água como fluido de trabalho devese a suas propriedades favoráveis para aplicações termodinâmicas elevada capacidade calorífica elevada entalpia de vaporização ampla disponibilidade baixo custo e comportamento previsível em uma ampla faixa de temperaturas e pressões No entanto quando se trata da recuperação de calor proveniente de fontes de baixa temperatura como calor residual industrial biomassa ou energia geotérmica a aplicação do Ciclo Orgânico de Rankine ORC tornase mais apropriada Nesse arranjo utilizase um fluido orgânico como hidrocarbonetos refrigerantes ou silicones com ponto de ebulição inferior ao da água permitindo o aproveitamento eficiente de calor em temperaturas moderadas Carpio et al 2015 A Figura 1 ilustra o diagrama temperaturaentropia Ts para o Ciclo de Rankine evidenciando as etapas de fornecimento de calor Figura 1 Diagrama Ts para Ciclo de Rankine Figura 1 Diagrama Ts para Ciclo de Rankine Fonte Silva e Morais 2017 A eficiência térmica do ciclo de Rankine é limitada principalmente pelas temperaturas máximas e mínimas de operação conforme estabelecido pelos limites termodinâmicos definidos pela equação de Carnot Além disso as irreversibilidades associadas aos processos reais tais como perdas por atrito nos dutos e turbinas trocas térmicas não ideais em trocadores de calor e perdas de calor para o meio ambiente comprometem o rendimento energético global do sistema Carpio et al 2015 Em usinas termoelétricas convencionais a eficiência térmica do ciclo varia em geral entre 30 e 45 a depender das condições operacionais e do grau de sofisticação tecnológica adotado como o uso de regeneradores superaquecedores e sistemas de vácuo no condensador M odern physics 2021 N o ciclo de Rankine ideal os processos de compressão e expansão são considerados isentropicamente reversíveis ou seja ocorrem sem variações de entropia e sem perdas internas Boyce 2002 No entanto na prática essas condições são impossíveis de se manter devido às irreversibilidades inerentes aos componentes do sistema que promovem aumento de entropia e consequente redução da eficiência do ciclo real Conforme destacado por Bachmann et al 2002 essas perdas são ainda mais significativas em sistemas de pequena escala como o reator laboratorial proposto neste projeto que n esses casos as perdas de calor por convecção e radiação para o ambiente bem como os efeitos do atrito mecânico e perdas de carga nos dutos e válvulas tornamse proporcionalmente mais impactantes influenciando negativamente o balanço energético e dificultando a obtenção de dados representativos do desempenho idealizado A análise termodinâmica do ciclo pode ser visualizada através do diagrama TS temperaturaentropia como ilustrado na Figura 1 que permitem identificar os estados termodinâmicos em cada etapa do processo e avaliar o trabalho produzido e o calor transferido Borgnakke Sonntag e Wylen Van 2013 Componentes principais Segundo Moran e Shapiro 2015 o ciclo de Rankine é composto por quatro elementos fundamentais que operam de forma integrada para converter energia térmica em trabalho mecânico de maneira eficiente Esses componentes são a caldeira responsável por fornecer calor ao fluido de trabalho até que ele se transforme em vapor a turbina onde o vapor em alta pressão se expande realizando trabalho e gerando energia mecânica o condensador que promove a condensação do vapor ao rejeitar calor para uma fonte fria possibilitando o retorno ao estado líquido e a bomba que eleva a pressão do fluido condensado reiniciando o ciclo Cada um desses elementos desempenha um papel crucial no balanço energético do sistema sendo fundamentais para o entendimento do funcionamento e da eficiência dos ciclos térmicos em aplicações industriais e de geração de energia E sses componentes e o fluxo do processo estão esquematicamente representados na Figura 2 que detalha as principais etapas o superaquecimento na caldeira Q23 a expansão do vapor na turbina W34 a rejeição de calor no condensador Q41 e o trabalho de bombeamento realizado pela bomba W12 Figura 2 Componentes do Ciclo de Rankine Fonte Adaptado de Moran e Shapiro 2015 Caldeira A caldeira é um componente essencial no ciclo de Rankine responsável por fornecer calor ao fluido de trabalho geralmente água transformandoo em vapor Esse processo ocorre a pressão constante onde o fluido é aquecido até atingir o ponto de ebulição vaporizandose completamente A caldeira não realiza trabalho mecânico sua função principal é transferir energia térmica ao fluido aumentando sua entalpia Esse processo é fundamental para que o vapor gerado possa ser expandido na turbina produzindo trabalho mecânico Segundo Scagnolatto 2020 a caldeira é o componente onde o fluido de trabalho é aquecido até atingir o estado de vapor sendo essencial para o funcionamento eficiente do ciclo de Rankine O aquecimento na caldeira ocorre de forma isobárica ou seja a pressão permanece constante durante todo o processo de adição de calor Inicialmente o fluido de trabalho entra na caldeira como líquido comprimido sendo aquecido até atingir o estado de líquido saturado Com a continuidade do fornecimento de calor ocorre a vaporização transformando o líquido saturado em vapor saturado Posteriormente o vapor pode ser superaquecido elevando sua temperatura acima da temperatura de saturação resultando em vapor superaquecido Esse processo é detalhado Silva 2010 que descreve o fornecimento de calor a pressão constante em uma caldeira levando à evaporação da água e subsequente superaquecimento do vapor A análise energética da caldeira no ciclo de Rankine baseiase na primeira lei da termodinâmica que estabelece a conservação de energia Como a caldeira não realiza trabalho mecânico a variação de energia interna do fluido é igual à quantidade de calor fornecida Matematicamente isso é representado pela equação q in h 3 h 2 Equação 1 Lei de Conservação de Energia Calor na Caldeira 1 Onde q in é o calor adicionado por unidade de massa h3 é a entalpia do vapor na saída da caldeira e h2 é a entalpia do fluido na entrada da caldeira Essa relação é fundamental para determinar a quantidade de energia térmica necessária para o processo de vaporização e superaquecimento do fluido de trabalho Unzueta 2014 aborda a aplicação da primeira lei da termodinâmica em sistemas fechados destacando a importância do balanço de energia para a análise de processos termodinâmicos Turbina Este componente realiza a expansão do vapor superaquecido convertendo a energia térmica em energia mecânica através da rotação do eixo da turbina Segundo Boyce 2002 a eficiência isentrópica da turbina definida como a razão entre o trabalho real produzido e o trabalho ideal isentrópico é um parâmetro crucial para avaliar o desempenho do sistema Em aplicações laboratoriais de pequena escala como a proposta neste projeto geralmente são utilizadas microturbinas com geometrias simplificadas resultando em eficiências isentrópicas consideravelmente inferiores às encontradas em turbinas industriais Amorim 2019 A expansão do vapor na turbina ocorre de forma adiabática ou seja sem troca de calor com o ambiente e idealmente de maneira isoentrópica mantendo a entropia constante Durante esse processo o vapor passa de um estado de alta pressão e temperatura para um estado de baixa pressão e temperatura resultando na produção de trabalho mecânico O estado do fluido na entrada da turbina é tipicamente de vapor superaquecido o que maximiza a eficiência do processo e evita a condensação prematura do vapor Conforme descrito por Scagnolatto 2020 a utilização de vapor superaquecido na entrada da turbina é uma prática comum para melhorar a eficiência e evitar danos às pás da turbina causados por gotas de condensado A análise energética da turbina no ciclo de Rankine baseiase na primeira lei da termodinâmica que estabelece a conservação de energia A quantidade de trabalho produzido pela turbina é determinada pela diferença de entalpia do vapor na entrada e na saída da turbina Matematicamente isso é representado pela equação w turbina h 2 h 1 Equação 2 Lei de Conservação de Energia Trabalho na Turbina 2 Onde wturbina é o trabalho específico produzido pela turbina h2 é a entalpia do vapor na entrada da turbina e h1 é a entalpia do vapor na saída da turbina Essa relação é fundamental para determinar a eficiência e o desempenho da turbina no ciclo de Rankine Barbosa 2024 destaca a importância dessa análise para a otimização do ciclo e a maximização da produção de energia Condensador Após a expansão na turbina o vapor com baixa pressão é direcionado ao condensador onde ocorre a rejeição de calor para um meio de resfriamento geralmente água ou ar promovendo a condensação do vapor e retornando o fluido ao estado líquido A pressão no condensador é outro parâmetro significativo para a eficiência do ciclo sendo que pressões mais baixas no condensador resultam em maior produção de trabalho útil na turbina Çengel e Boles 2014 No entanto em sistemas laboratoriais como o proposto limitações práticas relacionadas à temperatura ambiente e à capacidade de resfriamento disponível restringem o nível mínimo de pressão alcançável no condensador No condensador o processo de troca térmica ocorre de forma isobárica ou seja a pressão permanece constante durante a condensação do vapor O vapor de baixa pressão que sai da turbina entra no condensador e é resfriado até atingir a temperatura de saturação passando do estado de vapor para o estado de líquido saturado De acordo com Carpio et al 2015 o condensador é responsável por rejeitar o calor do vapor expandido transformandoo em líquido saturado o que é essencial para a continuidade do ciclo A eficiência do condensador depende da diferença de temperatura entre o vapor e o meio de resfriamento bem como da área de troca térmica disponível A análise energética do condensador no ciclo de Rankine baseiase na primeira lei da termodinâmica que estabelece a conservação de energia Como o condensador não realiza trabalho mecânico a variação de energia interna do fluido é igual à quantidade de calor rejeitada Matematicamente isso é representado pela equação q out h 4 h 1 Equação 3 Lei de Conservação de Energia Calor no Condensador 3 Onde qout é o calor rejeitado por unidade de massa h4 é a entalpia do vapor na entrada do condensador e h1 é a entalpia do fluido na saída do condensador Essa relação é fundamental para determinar a quantidade de energia térmica rejeitada no processo de condensação Ferraz 2017 destaca a importância dessa análise para a otimização do ciclo e a maximização da eficiência térmica Bomba de alimentação Responsável por elevar a pressão do líquido condensado até a pressão de operação da caldeira fechando o ciclo termodinâmico O trabalho consumido pela bomba representa uma pequena fração do trabalho produzido pela turbina típicamente entre 1 e 3 em aplicações convencionais Moran e Shapiro 2015 No entanto em sistemas de pequena escala como o reator proposto esta proporção tende a ser maior devido à escala reduzida e às particularidades dos componentes utilizados Amorim 2019 O processo realizado pela bomba é uma compressão adiabática idealmente isoentrópica onde o fluido de trabalho no estado de líquido subresfriado ou saturado tem sua pressão aumentada sem troca de calor com o ambiente De acordo com Lopes Junior 2007 esse processo é essencial para que o fluido alcance as condições adequadas para a vaporização na caldeira A manutenção do fluido no estado líquido durante a compressão é importante para evitar cavitação e garantir o funcionamento eficiente da bomba A análise energética da bomba no ciclo de Rankine baseiase na primeira lei da termodinâmica que estabelece a conservação de energia Como a bomba não realiza troca de calor com o ambiente o trabalho consumido por ela é igual à variação de entalpia do fluido entre a entrada e a saída Matematicamente isso é representado pela equação W bomba h 2 h 1 Equação 4 Lei de Conservação de Energia Trabalho na Bomba 4 Onde W bomba é o trabalho específico consumido pela bomba h2 é a entalpia do fluido na saída da bomba e h1 é a entalpia na entrada Essa relação é fundamental para determinar a quantidade de energia necessária para a compressão do fluido Lopes Junior 2007 destaca a importância dessa análise para a otimização do ciclo e a maximização da produção líquida de energia Variações do Ciclo de Rankine Ciclo de Rankine com reaquecimento Segundo Çengel e Boles 2014 o ciclo Rankine com reaquecimento é uma modificação do ciclo Rankine simples projetada para melhorar a eficiência térmica e reduzir a umidade do vapor nas etapas finais da turbina Nesse ciclo o vapor gerado na caldeira é inicialmente expandido em uma turbina de alta pressão Em seguida ele retorna à caldeira para ser reaquecido antes de passar por uma segunda expansão em uma turbina de baixa pressão Este processo de reaquecimento intermediário está ilustrado na Figura 3 a qual detalha o arranjo do ciclo e seus componentes principais turbinas de alta e baixa pressão e o reaquecedor permitindo que o vapor mantenha uma temperatura mais elevada na expansão final Isso resulta em um aumento da eficiência térmica e uma redução da umidade nas etapas finais da turbina minimizando o desgaste do equipamento Figura 3 Ciclo de Rankine com reaquecimento Fonte Termodinâmica Uma Abordagem de Engenharia Çengel e Boles 2014 O diagrama Ts Temperatura vs Entropia do ciclo Rankine com reaquecimento ilustrado na Figura 4 demonstra claramente as etapas do processo A curva inicial representa a expansão isentrópica do vapor na turbina de alta pressão Após o reaquecimento observase uma nova curva de expansão isentrópica na turbina de baixa pressão Esse ciclo adicional de aquecimento e expansão resulta em uma média de temperatura mais alta durante a adição de calor o que contribui para uma maior eficiência térmica do ciclo Além disso o reaquecimento reduz a umidade do vapor nas etapas finais da turbina minimizando o risco de erosão nas pás Figura 4 Diagrama T x s com reaquecimento Fonte Termodinâmica Uma Abordagem de Engenharia Çengel e Boles 2014 A implementação do ciclo Rankine com reaquecimento é uma estratégia eficaz para aumentar a eficiência térmica de usinas termelétricas Embora exija um investimento adicional em equipamentos e controle operacional os benefícios em termos de economia de combustível e redução de emissões compensam esses custos Além disso a redução da umidade do vapor nas turbinas contribui para a durabilidade dos componentes e a confiabilidade do sistema Ciclo de Rankine Orgânico O Ciclo Rankine Orgânico ORC Organic Rankine Cycle é uma variação do ciclo Rankine tradicional projetada para converter calor de baixa a média temperatura em energia elétrica Diferentemente do ciclo convencional que utiliza água como fluido de trabalho o ORC emprega fluidos orgânicos com pontos de ebulição mais baixos como hidrocarbonetos ou refrigerantes permitindo a operação eficiente com fontes térmicas de menor temperatura De acordo com Duarte 2018 ORC é uma tecnologia promissora para aproveitar energia de fontes térmicas de baixa temperatura sendo um grande aliado na redução do consumo de combustível e consequentemente na emissão de poluentes A utilização de fluidos orgânicos permite a geração de energia elétrica a partir de fontes térmicas que seriam inadequadas para o ciclo Rankine convencional Figura 5 Esquema do Ciclo Rankine Orgânico Fonte Adaptado de Gao et al 2012 O Ciclo Rankine Orgânico ORC é uma adaptação do ciclo Rankine tradicional projetada para converter energia térmica de baixa e média temperatura em eletricidade A principal diferença reside na utilização de fluidos orgânicos como fluido de trabalho os quais possuem pontos de ebulição mais baixos que a água permitindo a operação eficiente em temperaturas mais baixas O funcionamento do ORC envolve quatro componentes principais bomba evaporador ou trocador de calor turbina e condensador O processo iniciase na bomba que pressuriza o fluido orgânico no estado líquido Em seguida o fluido é aquecido no evaporador por meio de uma fonte de calor residual como gases de exaustão industriais até atingir o estado de vapor Esse vapor é então expandido na turbina gerando trabalho mecânico que pode ser convertido em eletricidade Após a expansão o vapor passa pelo condensador onde é resfriado e retorna ao estado líquido completando o ciclo Carpio et al 2015 Sistemas de cogeração Os sistemas de cogeração CHP Combined Heat and Power combinam a produção simultânea de eletricidade e calor útil proporcionando uma solução eficiente para a geração de energia Ao utilizar o calor residual da geração de eletricidade para aquecer espaços ou processos esses sistemas podem alcançar eficiências totais superiores a 80 significativamente mais altas do que os sistemas convencionais separados de geração de eletricidade e calor Uma das tecnologias comumente usada em sistemas de cogeração é o Ciclo Rankine que adaptado em um sistema de cogeração pode ser altamente eficiente especialmente quando combinado com o ciclo Rankine Orgânico ORC utilizando fluidos orgânicos como fluido de trabalho Isso permite uma maior flexibilidade em termos de temperaturas de operação e fontes de calor como em processos industriais e recuperação de calor residual Santos Oliveira 2019 Além disso os sistemas CHP desempenham um papel crucial na transição para uma matriz energética mais sustentável contribuindo para a redução das emissões de gases de efeito estufa e promovendo a eficiência energética Estudo recente destaca que a implementação de sistemas CHP com o uso de ciclos Rankine e ORC pode resultar em significativas economias de combustível e redução de custos operacionais tornandoos uma opção atraente para várias indústrias e setores Matuszewska e Olczak 2020 S EGURANÇA E L EGISLAÇÃO A Norma Regulamentadora NR13 estabelecida pelo Ministério do Trabalho e Previdência do Brasil define requisitos técnicos e legais para a instalação operação manutenção e inspeção de caldeiras vasos de pressão tubulações e tanques metálicos de armazenamento Essa regulamentação é essencial para garantir a segurança operacional desses equipamentos prevenindo falhas e acidentes que possam comprometer a integridade física dos trabalhadores do ambiente industrial e das instalações Conforme a Portaria MTP nº 1846 de 1º de julho de 2022 reflete a evolução técnica e legal das práticas industriais no país adequando as exigências conforme os níveis de risco e complexidade de cada sistema NR13 2022 Segundo a Norma Regulamentadora nº 13 NR13 caldeiras são classificadas em categorias com base na pressão máxima de trabalho admissível P e no volume interno V sendo esse produto PV um critério essencial para definição dos requisitos técnicos e de segurança De acordo com a norma são consideradas caldeiras da categoria A aquelas cuja pressão de operação é igual ou superior a 1960 kPa 1998 kgfcm² enquanto as caldeiras da categoria B são aquelas cuja pressão de operação seja superior a 60 kPa 061 kgfcm² e inferior a 1960 kPa 1998 kgfcm² Essa classificação visa estabelecer diretrizes específicas para inspeção operação e manutenção conforme o risco potencial associado ao equipamento garantindo maior segurança nas instalações industriais S egurança e processos Em sistemas térmicos de pequena escala como aqueles frequentemente desenvolvidos para fins didáticos ou experimentais é comum que as caldeiras utilizadas se enquadrem na Categoria C segundo os critérios da Norma Regulamentadora NR13 Essa classificação se aplica a equipamentos de porte reduzido e menor complexidade operacional No entanto a operação em escala reduzida não elimina os riscos inerentes à geração e manipulação de vapor Tais riscos tornamse ainda mais relevantes em ambientes acadêmicos nos quais a condução das atividades geralmente envolve operadores em processo de formação técnica Segundo Altafini 2002 sistemas térmicos independentemente de sua dimensão armazenam e transferem energia suficiente para causar acidentes severos caso não sejam devidamente projetados operados e mantidos Por esse motivo é fundamental a adoção de medidas preventivas que assegurem tanto a integridade do equipamento quanto a segurança dos usuários Isso inclui a incorporação de dispositivos de proteção instrumentos de monitoramento confiáveis e sistemas automáticos de controle todos alinhados às normas vigentes como a NR13 a ABNT NBR 131622019 e o código ASME Seção I A válvula de segurança é o principal dispositivo de proteção em caldeiras e deve ser projetada para liberar o excesso de pressão automaticamente quando esta ultrapassar o limite máximo de operação permitido A NR13 determina que toda caldeira deve dispor de no mínimo uma válvula de segurança adequadamente dimensionada e ajustada para atuar na pressão máxima de trabalho admissível PMTA Mesmo em um sistema laboratorial esse requisito é inegociável A válvula deve ser instalada em local acessível e livre de obstruções possuir certificação de conformidade e ser submetida a ensaios periódicos de calibração por profissional legalmente habilitado conforme preconizado também pela ABNT NBR 131622019 e pelo código ASME 2021 O não atendimento a esses requisitos compromete não apenas a funcionalidade do sistema mas também a segurança de todos os envolvidos A operação segura de caldeiras requer o uso de instrumentos de monitoramento precisos e confiáveis Entre os mais relevantes estão os manômetros e os indicadores de nível de água De acordo com Bizzo 2003 as caldeiras são potencialmente perigosas pois acumulam grande quantidade de vapor sob pressão cuja liberação repentina pode causar explosões Por esse motivo é essencial que as caldeiras possuam no mínimo manômetro válvula de segurança sistema de alimentação de água e indicador de nível O manômetro tem a finalidade de registrar a pressão interna da caldeira permitindo ao operador monitorar e manter a pressão dentro dos limites seguros Já o indicador de nível de água assegura que o volume interno esteja dentro dos parâmetros operacionais seguros prevenindo riscos como o superaquecimento das paredes da caldeira por exposição ao fogo sem a presença de fluido térmico o que pode levar à falha estrutural do equipamento Além dos dispositivos de proteção e monitoramento a NR13 exige a implementação de sistemas automáticos de controle para o nível de água e a pressão interna da caldeira Esses sistemas devem ser projetados com redundância funcional garantindo que uma falha isolada não comprometa a segurança global do processo Segundo Pescio 2016 a automação de caldeiras semiindustriais por meio de controladores lógicos programáveis CLPs permite um controle eficaz das variáveis críticas como pressão e nível de água aumentando a confiabilidade operacional e prevenindo falhas decorrentes de erros humanos ou defeitos técnicos A implementação de sistemas de desligamento automático da fonte de calor acionados sempre que forem detectadas condições de operação fora dos limites predefinidos é uma abordagem recomendada para ampliar a segurança e cumprir os requisitos normativos ESTADO DA ARTE A energia pode ser conceituada como a capacidade de um corpo realizar trabalho sendo reconhecida em diferentes contextos como um recurso natural ou artificial com aplicações voltadas à execução de tarefas transformação de materiais ou acionamento de máquinas As fontes naturais de energia como a radiação solar o efeito Joule e o atrito nem sempre apresentam aproveitamento integral devido a limitações técnicas e operacionais A crescente demanda energética impulsionada pelo desenvolvimento industrial contribuiu para a expansão da utilização de sistemas termoelétricos os quais se baseiam na transferência de calor entre corpos com diferentes temperaturas Esse processo visa à conversão de energia térmica em trabalho mecânico ou energia elétrica por meio de reações exotérmicas como a combustão de combustíveis fósseis Castello M 1998 A criação de energia pela conversão do movimento mecânico das turbinas através da força produzida por essas reações foi uma descoberta que chocou o mundo Entretanto a necessidade de otimizar a qualidade dos processos reduzir custos e controlar as emissões de dióxido de carbono CO2 estabelecer um cenário de melhoria para esses ciclos de energia Galindo 2010 Assim a modernização das usinas termelétricas oferece a oportunidade de consolidar novos arranjos e configurações baseados nos ciclos Rankine processo que leva o nome de seu criador o engenheiro escocês William John Macquorn Rankine O ciclo surge como uma melhoria no Ciclo de Carnot na busca por um melhor relacionamento de trabalho Seus princípios se baseiam no aquecimento da água para convertêla em vapor a uma pressão capaz de movimentar uma turbina Seu objetivo é converter calor em trabalho para criar energia elétrica e alimentar máquinas Salazar 2011 Figura 6 Diagrama Ts Ciclo de Rankine Fonte Termodinâmica Uma Abordagem de Engenharia Çengel e Boles 2014 O Ciclo Rankine é um dos principais ciclos termodinâmicos utilizado em grande escala na geração de energia elétrica Funciona convertendo calor em trabalho O calor é fornecido por uma fonte externa a um fluido de trabalho sendo vapor de água o fluido mais comumente empregado Isso acontece devido as características desejáveis desse fluido tais como baixo custo disponibilidade e alta entalpia de vaporização Çengel e Boles 2014 Por ser um processo capaz de alcançar alta eficiência energética na geração de eletricidade ter confiabilidade do processo já que é amplamente utilizado na geração de eletricidade há muitas décadas e por se tratar de uma grande flexibilidade pela capacidade de utilizar diferentes tipos de processo em seu ciclo como reaquecimento regeneração ciclo combinado ciclo orgânico e entre outras tecnologias faz com que o Ciclo de Rankine seja ainda muito útil no cotidiano atual e sendo pauta de muito estudo e comparação de processos para cada vez mais extrair a melhor eficiência do ciclo Trabalhos publicados relacionados à C iclo de Rankine O ciclo de Rankine é amplamente utilizado em sistemas de geração de energia térmica sendo aplicado em diversas escalas desde grandes usinas termelétricas até sistemas experimentais e protótipos laboratoriais A eficiência do ciclo está diretamente ligada a fatores como seleção do fluido de trabalho condições operacionais e configuração do sistema Estudos recentes analisam variações desse ciclo buscando otimizar o desempenho energético e reduzir impactos ambientais Protótipos de laboratório de sistemas de ciclo Rankine produzem resultados de eficiência que variam de acordo com o projeto do sistema seleção de fluido de trabalho e condições operacionais Em configurações de ciclo Rankine orgânico em escala de laboratório um estudo relatou eficiências térmicas entre 19 e 46 enquanto um sistema de vapor de baixa pressão alcançou uma eficiência elétrica de 4 Em contraste projetos não convencionais em microescala às vezes produziam eficiências térmicas abaixo de 001 Tabela 1 Comparação de projetos laboratorial de ciclo de Rankine PROJETO PONTOS FORTES PONTOS DE MELHORIA EFICIÊNCIA N POTÊNCIA W PRESSÃO kgfcm² REFERÊNCIA Construção de um modelo para geração de potência a vapor Esse projeto busca desenvolver um modelo didático de uma máquina de geração de potência a vapor O projeto tem um conhecimento aprofundado em Ciclo de Rankine e desenvolve um protótipo utilizando ferramentas simples de baixo investimento Projeto com baixa automação para conhecimentos dos pontos de temperatura e pressão além da caldeira e não demonstrou claramente pontos de segurança para o sistema 000426 0065 W 07 kgfcm² Amorim 2019 Sistema de energia de turbina a vapor Procedimento de experimento de labotório de amostra Esse é um procedimento laboratorial onde mostra na prática um reator de Rankine próprio para experimento e uso didático Forte em automação de processos e em segurança utilizando visor de caldeira e válvula de admissão de vapor O sistema é um modelo didático e seu custo pode ser elevado para instituições que desejam implementar esse modelo Dependência de combustível fóssil o experimento utiliza de GLP como combustível para a caldeira 001300 132 W 89099 kgfcm² Copyright 2012 Pré projeto de um a miniusina termelétrica dimensionamento Projeto inovou ao trazer um sistema de aquecimento de água por sistema de caldeira aquatubular onde visa ter maior produção de vapor e trabalho com altas pressões Utilizouse também tubulação de cobre e mecânismos de monitoramento de processo termômetro e manômetro Esse projeto é um modelo teórico como base para estudos futuros seus cálculos e construção não foram realizados em um processo experimental 235 kW 48 kgfcm² Tavares Nikael e Goulart 2019 Projeto e construção de um aparato experimental de geração de energia elétrica utilizando uma turbina Tesla Prototipo caseiro que aplica conceitos do ciclo de Rankine inovação à utilização de uma turbina Tesla e baixo custo de construção Apesar de não poder ser considerado um ciclo de Rankine esse projeto é um experimento que pode ser replicado em outras utilizações utilizando esse estudo de Turbina de Tesla e aplicação de uma panela de pressão baixo custo como fonte geradora de vapor O projeto não implementa um ciclo de Rankine fechado pois ele não apresenta um condensador e uma bomba por isso não pode ser considerado um ciclo de Rankine Mas envolve introdutoriamente as aplicações de um ciclo de Rankine 3800000 249 W 029 kgfcm² Neves 2018 Fonte Adaptado de Amorim 2019 Copyright 2012 Tavares Nikael e Goulart 2019 Neves 2018 A comparação entre diferentes experimentos do ciclo de Rankine evidencia que a eficiência e a potência gerada variam significativamente conforme a escala o tipo de aplicação e o nível de otimização do sistema Modelos laboratoriais projetados para fins educacionais apresentam eficiências extremamente baixas abaixo de 002 e potência reduzida pois priorizam a visualização prática do ciclo e utilizam componentes de baixo custo Já sistemas industriais como o ciclo Rankine Orgânico ORC demonstram eficiências muito superiores 1057 aproveitando técnicas avançadas de recuperação de calor e otimização energética No entanto esses projetos exigem maior investimento e enfrentam desafios de viabilidade econômica especialmente em pequenas escalas Além da eficiência a segurança dos experimentos é um fator crítico a ser considerado Os modelos laboratoriais frequentemente apresentam baixa automação e poucos dispositivos de controle para monitoramento da temperatura e pressão o que pode representar riscos operacionais A ausência de proteções na caldeira e na válvula de admissão de vapor em alguns experimentos reforça a necessidade de aprimoramento dos sistemas de segurança Nos projetos industriais a implementação de sensores e sistemas automatizados melhora a confiabilidade e reduz riscos mas aumenta o custo e a complexidade da operação Este trabalho tem como objetivo desenvolver um reator de Rankine em escala laboratorial permitindo a demonstração prática dos conceitos estudados em ciclos de potência como funcionalidade cálculos e análises de eficiência Com base nos projetos experimentais analisados buscase a criação de um protótipo seguro e didático voltado para aplicações acadêmicas Os testes de funcionamento incluirão o estudo de materiais a aplicação de ferramentas numéricas como a análise de elementos finitos e a implementação de um sistema de automação para monitoramento da temperatura e pressão nos principais componentes do ciclo de Rankine O conhecimento preciso desses parâmetros possibilitará uma análise mais aprofundada do rendimento do ciclo e garantirá maior confiabilidade ao processo MATERIAIS E MÉTODOS Esta seção apresenta de forma sistematizada e objetiva os materiais selecionados a metodologia adotada e os procedimentos experimentais planejados para o desenvolvimento de um reator baseado no ciclo de Rankine em escala laboratorial com aplicação voltada à análise de eficiência energética O detalhamento aqui descrito visa garantir que ao se utilizar os mesmos recursos técnicos abordagens e etapas operacionais outros pesquisadores possam reproduzir integralmente os experimentos propostos assegurando consistência e comparabilidade nos resultados que vierem a ser obtidos em estudos futuros O procedimento experimental foi estruturado conforme os princípios metodológicos descritos por Cervo Bervian e Silva 2007 p 67 contemplando a forma prevista de observação dos fenômenos térmicos a manipulação da variável independente neste caso relacionada às condições de operação dos componentes do ciclo o tipo de experimento a ser executado e a metodologia para registro sistemático dos dados Para tanto cada elemento que compõe o reator caldeira turbina condensador e bomba foi especificado quanto a sua função configuração técnica e critérios de instalação Adicionalmente foram definidos os instrumentos de medição e os procedimentos para coleta futura de informações como temperatura pressão e vazão durante a operação do sistema CERVO BERVIAN SILVA 2007 p 67 A abordagem metodológica adotada neste trabalho é qualitativa conforme caracterizada por Triviños 1999 com foco na descrição compreensiva dos fenômenos térmicos envolvidos no ciclo de Rankine Essa abordagem busca interpretar em profundidade as relações causais transformações de estado e interações entre os elementos do sistema estabelecendo uma base conceitual sólida para análises subsequentes de desempenho Embora os testes práticos e a geração de dados ainda estejam em fase de planejamento o modelo experimental apresentado fornece os subsídios necessários para sua futura aplicação em estudos de eficiência energética TRIVIÑOS 1999 Desse modo este capítulo constitui uma referência metodológica clara e reprodutível fundamental para a condução dos ensaios propostos no semestre seguinte contribuindo para a validação científica do projeto e para a construção de conhecimento aplicado na área de sistemas térmicos Caldeira A caldeira desempenha papel central no ciclo de Rankine pois é o elemento responsável por fornecer calor ao fluido de trabalho promovendo sua vaporização e aumento de entalpia antes da expansão na turbina No presente projeto a caldeira foi concebida a partir da adaptação de um extintor de 2 kg mantendose o controle constante da pressão de operação e assegurando a integridade do ciclo fechado que envolve turbina condensador e bomba de alimentação ÇENGEL BOLES 2015 p 412 SILVA et al 2021 Figura 7 Extintor utilizado como caldeira Fonte Elaborado pelos autores Especificações técnicas Componente e fabricação extintor de incêndio recarregável açocarbono ASTM A36 vaso de pressão adaptado Conformidade fabricado segundo ABNT NBR 15808 e Resolução 919CONTRAN Capacidade volumétrica 2 L internos trabalho certificado até 20 bar Dimensões altura total de 382 mm diâmetro externo de 1016 mm Ciclo fechado tubulações dimensionadas para circulação contínua de vapor e condensado garantindo vedação hermética entre os demais componentes A escolha de um extintor reaproveitado como caldeira se justifica pelo baixo custo de aquisição e pela robustez do açocarbono em operação sob pressão proporcionando resposta térmica rápida em ensaios de curta duração O manômetro Bourdon pela precisão e disponibilidade comercial atende aos requisitos de monitoração em faixas de pressão típicas do ciclo de Rankine laboratorial A utilização de conexões flangeadas e vedação em PTFE assegura a confiabilidade do sistema facilitando montagem e manutenção aspectos valorizados em experimentos que visam alta reprodutibilidade ÇENGEL BOLES 2015 SILVA et al 2021 Turbina A turbina neste projeto consiste num mini gerador hidrelétrico de 12 V e 10 W em estrutura transparente de acrílico cuja função é simular a expansão de vapor por meio do fluxo de água Apesar de não ser uma turbina convencional a vapor esse dispositivo permite estudar a conversão de energia hidráulica em energia elétrica em baixa escala servindo como análogo didático para análise de eficiência e curvas de rendimento O alojamento em acrílico transparente possibilita a visualização do rotor em operação enquanto as características elétricas e mecânicas do gerador fornecem dados para avaliação de desempenho em diferentes condições de pressão e vazão de água Figura 8 Turbina adapatado para o ciclo de Rankine Fonte Elaborado pelos autores Especificações técnicas Modelo e estrutura Mini Gerador Hidrelétrico 12 V 10 W carcaça em acrílico transparente PMMA diâmetro da rosca de 12 122 mm Tensão de saída 12 V DC adequada para testes de conversão em pequenos sistemas auxiliares Potência nominal 10 W permitindo estudo de regime estacionário em baixa potência Corrente máxima 150800 mA dependendo da vazão e carga elétrica Resistência do fio 105 05 Ω compatível com conversão eficiente em tensão indicada Resistência de isolamento 10 MΩ DC 100 V Pressão máxima de operação 06 MPa fechada e 12 MPa aberta definindo limites seguros de ensaio Folga axial 0210 mm assegurando mínimo atrito interno Peso 90 g facilitando montagem e troca rápida nos testes Temperatura de serviço do PMMA até 85 C contínuos sem deformação permanente Tg 105 C ÇENGEL BOLES 2015 p 318 A seleção deste mini gerador se fundamenta na sua disponibilidade comercial e no custo reduzido além da carcaça transparente em acrílico PMMA que permite observação direta do rotor em funcionamento e assegura resistência térmica compatível com as temperaturas previstas no ensaio ÇENGEL BOLES 2015 Os limites de pressão e vazão especificados garantem segurança e flexibilidade para simular diferentes condições de operação enquanto a faixa de tensão de saída de 12 V e a potência de 10 W são adequadas para instrumentos de medição de bancada Dispositivos de resistência de isolamento elevada e folga axial controlada contribuem para a reprodutibilidade dos experimentos permitindo que outros pesquisadores repliquem o arranjo e obtenham dados comparáveis em estudos de eficiência energética de sistemas fluido s dinâmicos Condensador O condensador neste projeto é um trocador de calor tipo serpentina aletada composto por tubos de aço inoxidável fornecidos em um padrão sinuoso e fornecido com aletas para maximizar a área de troca térmica Sua função é condensar o vapor de baixa pressão proveniente da turbina utilizando o resfriamento passivo por convecção natural o que o torna ideal para uma escala reduzida do experimento Apesar de não ser um condensador industrial esse componente permite estudar a exclusão de calor e a transição do vapor para o estado líquido necessária como uma ferramenta didática para análise da eficiência térmica do ciclo de Rankine A construção robusta e o design eficiente buscaram dados confiáveis para avaliar o desempenho do sistema em diferentes condições operacionais complementando os objetivos educacionais do projeto Figura 9 Modelo adaptado do condensador Fonte Elaborado pelos autores Especificações técnicas Tipo Trocador de calor tipo serpentina aletada Material Tubos de aço inoxidável 304 corpo principal com aletas em alumínio para otimização da troca térmica Dimensões Comprimento aproximado de 300 mm largura de 150 mm diâmetro externo dos tubos de 10 mm com aletas espaçadas a cada 5 mm Capacidade Projetado para operar com vazões de vapor de até 05 kgh adequado à escala laboratorial do reator Conexões Entrada e saída com roscas de 14 BSP compatíveis com as características do sistema Condições Operacionais Temperatura máxima de entrada do vapor de 100 C pressão máxima de operação de 2 bar com resfriamento passivo por convecção natural Peso Aproximadamente 15 kg facilitando a integração ao sistema experimental Resistência Térmica Suporta variações térmicas sem deformação permanente com limite de operação contínua até 120 C Eficiência de Troca Térmica Estimada em 7080 para condições de resfriamento natural dependendo da ventilação ambiente A seleção deste condensador tipo serpentina aletada é crucial para o projeto devido à sua capacidade de garantir a eficiência e a funcionalidade do ciclo de Rankine em escala laboratorial Sua estrutura com tubos de aço inoxidável e aletas de alumínio maximiza a troca térmica por convecção natural permitindo uma condensação eficaz do vapor após a expansão na turbina o que é essencial para manter a continuidade do ciclo e a recirculação do fluido conforme descrito por Carpio et al 2015 A compatibilidade com as condições operacionais previstas até 100 C e 2 bar garante a segurança e a estabilidade do sistemaÇengel e Boles 2015 enquanto seu baixo custo e disponibilidade comercial tornam o projeto viável para fins didáticos Além disso a eficiência térmica estimada 7080 e a flexibilidade para operar com vazões reduzidas até 05 kgh forneceram dados confiáveis para análise de desempenho contribuindo diretamente para o objetivo de estudar a eficiência energética e formar estudantes com base em experimentos práticos e reprodutíveis alinhandose aos princípios termodinâmicos fundamentais Moran e Shapiro 2015 Tubulação O sistema experimental desenvolvido neste trabalho reproduz o ciclo de Rankine em escala laboratorial composto pelos seguintes componentes principais caldeira turbina condensador bomba centrífuga e tubulação de interligação O fluido de trabalho é água que circula continuamente pelo sistema passando por transformações termodinâmicas em diferentes condições de pressão e temperatura A tubulação desempenha um papel essencial no transporte do fluido entre os componentes do sistema Sua seleção e dimensionamento foram realizados com base nas condições operacionais do protótipo e em conformidade com normas técnicas especialmente a NR13 ABNT 2021 Figura 10 Tubo inox 304 Fonte Elaborado pelos autores Materiais da tubulação do trecho a vapor saída da caldeira Material Aço inoxidável AISI 304316 Diâmetro externo 127 a 19 mm ½ a ¾ polegada Espessura Schedule 40 aproximadamente 28 mm Comprimento estimado 3 a 5 metros Temperatura máxima de operação 150 C Pressão máxima de operação 60 kPa Este trecho opera com vapor saturado em temperaturas elevadas e pressão moderada O aço inoxidável AISI 304316 foi selecionado devido à sua alta resistência à corrosão estabilidade térmica e conformidade com a NR13 ABNT 2021 Sua durabilidade e resistência mecânica o tornam ideal para uso contínuo em ambientes laboratoriais Callister Rethwisch 2020 ASM International 2019 Figura 11 Tubo de cobre M Fonte Elaborado pelos autores Trecho de retorno da saída do condensador Material Cobre Tipo M conforme ASTM B88 2022 Diâmetro externo 127 a 254 mm ½ a 1 polegada Espessura 07 a 12 mm Comprimento estimado 2 a 3 metros Temperatura máxima de operação 60 C Pressão máxima de operação 100 kPa Após a condensação o fluido retorna ao sistema em estado líquido e a temperaturas reduzidas O cobre Tipo M foi escolhido por sua excelente resistência à corrosão facilidade de instalação e conformação além de ser economicamente viável para aplicações didáticas Sua capacidade de suportar pressões moderadas o torna adequado para a linha de retorno Peekema 2018 Smith Hashemi 2020 Bomba A bomba submersível apresentada trabalha com tensão DC 12V e motor brushless de 19 W 0025 CV sendo ideal para aplicações de baixa vazão em sistemas compactos como projetos laboratoriais Oferece vazão máxima de 800 Lh 0222 Ls e altura manométrica de até 5 mca 49 kPa com alimentação simples via fontes ou baterias 12V Fabricada com materiais plásticos de alta qualidade e eixo durável garante mais de 10000 horas de operação contínua Seu design seguro com separação entre água e eletricidade elimina riscos de vazamento enquanto o baixo ruído e a forte resistência a interferências asseguram operação estável e silenciosa ideal para ambientes educacionais Compacta e eficiente é perfeitamente adequada a sistemas de pequena escala Figura 12 Bomba adaptada para o reator de ciclo de Rankine Fonte Elaborado pelos autores Especificações técnicas Tipo Bomba submersível com motor sem escovas Tensão DC 12V Potência 19 W aproximadamente 0025 CV Taxa de Fluxo Máxima 800 Lh 1333 Lmin ou 0222 Ls Altura Manométrica Máxima 5 mca aproximadamente 49 kPa Alimentação Fio desencapado Material Polímero de alta qualidade eixo de alto desempenho Vida Útil 10000 horas Temperatura Máxima Estimada 6085 C Segurança Separação águaeletricidade antiinterferência Ruído Baixo 3040 dB Consumo 19 W Dimensões Compactas 100 x 60 x 80 mm Peso 051 kg Conexões Roscadas estimadas 1234 Vedação Borracha ou silicone Resistência de Isolamento 10 MΩ Bombas centrífugas são amplamente utilizadas por sua simplicidade baixo custo e confiabilidade O modelo escolhido é adequado para aplicações laboratoriais atendendo às exigências de baixa vazão e pressão moderada Seu corpo em ferro fundido oferece robustez enquanto os rotores em latão ou inox garantem compatibilidade com o fluido e resistência à corrosão A vedação por gaxeta é suficiente para pressões reduzidas podendo ser substituída por selo mecânico quando necessário A conformidade com a norma ANSI B731 assegura intercambialidade e segurança na instalação 46 Fluido O fluido de trabalho é um dos elementos centrais para o desempenho de um ciclo termodinâmico influenciando diretamente a transferência de calor a pressão de operação a eficiência térmica e os requisitos de segurança do sistema No presente estudo optouse pela utilização da água como fluido de trabalho por ser uma substância amplamente disponível não tóxica ambientalmente segura e apresentar propriedades termofísicas ideais para ciclos de Rankine em escala laboratorial Çengel e Boles 2015 Especificações técnicas Composição química H ₂ O á gua pot á vel deionizada Estado físico durante o ciclo alternância entre fases líquida e vapor saturadosuperaquecido Faixa de operação térmica 20 C a até aproximadamente 140 C em pressões até 36 bar Calor específico médio a 100 C 418 kJkgK fase líquida Entalpia de vaporização a 100 C 2 257 kJkg Pressão de vapor 1013 bar a 100 C Condutividade térmica líquido a 90 C 067 WmK Densidade 958 kgm³ a 100 C líquido Reatividade e toxicidade substância quimicamente estável não inflamável não tóxica A escolha da água como fluido de trabalho está fundamentada em sua elevada capacidade térmica latente de vaporização significativa e comportamento previsível sob pressões e temperaturas moderadas Esses atributos a tornam ideal para aplicações experimentais em sistemas de Rankine especialmente em ambientes acadêmicos e laboratoriais com foco didático Além disso seu uso dispensa preocupações adicionais com manuseio ou descarte ao contrário de fluidos orgânicos ou sintéticos e permite a aplicação direta das tabelas termodinâmicas clássicas com alta confiabilidade Çengel e Boles 2015 A operação com água também favorece a visualização e compreensão das transições de fase fundamentais para o estudo de eficiência energética em ciclos térmicos Instrumentação PT100 A medição de temperatura em pontos estratégicos do ciclo de Rankine é imprescindível para a determinação de entalpias e o cálculo da eficiência térmica do sistema ÇENGEL BOLES 2015 p 298 Para esse fim foi selecionado o sensor PT100 de 200 a 650 C haste de 8 200 mm cuja construção em aço inox 304 e cabeçote de proteção garantem robustez mecânica resistência à corrosão e compatibilidade com fluidos de trabalho no ciclo Figura 13 Modelo PT100 Fonte Elaborado pelos autores Especificações técnicas Princípio de funcionamento RTD de platina 100 Ω 0 C coeficiente α 000385 ΩΩC IEC 60751NBR 60751 Faixa de medição 200 C a 650 C Classe de exatidão Classe A 015 0002t C Haste aço inox 304 diâmetro de 8 mm comprimento de inserção de 200 mm Cabeçote proteção metálica padrão DIN B com prensacabo PG 135 Conexão rosca ½ BSP Fiação 3 fios compatível com transmissor 420 mA 110254 V AC Temperatura de operação máxima 50 C a 650 C sem deformação permanente Certificações fabricado conforme ISO 90012015 testado por ultrassom hipot e megômetro A escolha deste modelo baseiase na ampla faixa de temperatura superior à exigida para os ensaios de aquecimento e condensação do reator e na alta precisão da classe A fundamental para o balanceamento energético do ciclo A haste em aço inox 304 assegura durabilidade frente a variações térmicas e à ação de condensado corrosivo enquanto o cabeçote com prensacabo oferece vedação confiável permitindo rápida instalação e manutenção em bancada de laboratório ÇENGEL BOLES 2015 Manômetro O monitoramento contínuo da pressão no interior da caldeira e na linha de vapor é fundamental para assegurar a integridade do ciclo de Rankine e a segurança operacional ÇENGEL BOLES 2015 p 412 O manômetro tipo Bourdon de leitura direta oferece simplicidade confiabilidade e rapidez na indicação da pressão de trabalho Figura 14 Manômetro de Bourdon Fonte WIKA Manômetro com tubo Bourdon Princípio de funcionamento e aplicações Disponível em httpswwwwikacomptbrlpmanometrocomtubobourdonWIKA Acesso em 30 maio 2025 Especificações técnicas Princípio de medição tubo Bourdon em aço inox 304 tubo em C Escala 0 a 16 bar subdividida em marcas de 025 bar Precisão classe 16 16 da escala total Diâmetro de caixa 63 mm 2½ padrão EN 8371 Conexão rosca inferior ¼ NPT também disponível em BSP ¼ Material da caixa aço estampado com pintura epóxi lente de vidro laminado Faixa de temperatura de trabalho 20 C a 60 C ambiente fluido de medição até 100 C O manômetro Bourdon 016 bar foi selecionado por sua ampla disponibilidade e baixo custo aliado à precisão adequada para ensaios laboratoriais de pressão moderada A construção em aço inox e a lente de vidro oferecem durabilidade em condições de umidade e exposição a condensados ao mesmo tempo em que possibilitam leituras claras e imediatas pelo operador assegurando reprodutibilidade nos ensaios de rendimento do ciclo de Rankine REFERÊNCIAS ALTAFINI C R Máquinas Térmicas Caldeiras Universidade de Caxias do Sul p 36 2002 AMORIM S P Construção de um modelo para geração de potência a vapor sl sn BARBOSA R S Otimização de ciclos Rankine orgânicos para recuperação de calor residual offshore com melhor eficiência e controle de temperatura sob condições dinâmicas sl Universidade de São Paulo 2024 BORGES A Com uso recorde térmicas geram energia para um terço das casas do Brasil 21 set 2021 BORGNAKKE C SONNTAG R E WYLEN G J VAN Fundamentals of Thermodynamics sl sn BOYCE M P Gas Turbine Engineering Handbook sl sn v 2 CARPIO R C et al Análise teórica da recuperação de calor para geração de energia em indústrias de cimento e cal utilizando o ciclo de Rankine orgânico ForScience v 3 n 1 p 18130 2015 ÇENGEL Y A BOLES M A B Termodinâmica Uma Abordagem de Engenharia sl sn COPYRIGHT T Steam Turbine Power System Sample Lab Experiment Procedure sl sn DUARTE R G D P Aplicação de ciclos rankine orgânicos para geração de eletricidade a partir de calor de processo industrial no Brasil sl Universidade Federal do Rio de Janeiro 2018 FERRAZ J V L R Análise Exergética De Um Ciclo Rankine Em Condições Supercríticas sl Universidade de São Paulo 2017 GNPW Crise Energética no Brasil Um Desafio que Persiste até 2025 23 out 2024 HALEY E FIRMINO G EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM INSTITUIÇÕES DE ENSINO NO BRASIL EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM INSTITUIÇÕES DE ENSINO NO BRASIL UM ESTUDO BIBLIOGRÁFICO 2024 LOPES JUNIOR C Análise Termodinâmica Comparativa entre um Ciclo Rankine Tradicional e um Inovador Utilizando Gases Residuais do Processo Siderúrgico como Combustível sl PUC 2007 MATUSZEWSKA D OLCZAK P Evaluation of using gas turbine to increase 44 efficiency of the organic Rankine cycle ORC Energies v 13 n 6 2020 MORAN M J SHAPIRO H N FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS sl sn v 8 NEVES F M C Projeto e construção de um aparato experimental de geração de energia elétrica utilizando uma turbina Tesla sl UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ 2018 NR13 Norma Regulamentadora N o 13 Nr13 Caldeiras Vasos De Pressão Tubulações E Tanques Metálicos De ArmazenamentoBrasilMinistério do Trabalho e Emprego MTE Ministério da Economia 2022 PESCIO P H Análise da integração da tecnologia da automação aplicada ao processo de fabricação de papel Análise da integração da tecnologia da automação aplicada ao processo de fabricação de papel sl sn SCAGNOLATTO G Análise teórica de ciclos de Rankine Orgânico sl Universidade Federal de São Carlos 2020 SILVA J A R Projecto de um Ciclo de Rankine R ankine Orgânico para a Produção de 1 MW de Electricidade Projecto Desenvolvido na Empresa Q eficiência Consultores Energias Renováveis sl Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2010 TAVARES G NIKAEL R GOULART P PréProjeto De Um Mini Usina TermelétricaDimensionamento sl INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS 2019 UNZUETA R B Estudo Teórico E Experimental De Uma Máquina a Vapor Alternativa sl Universidade de São Paulo 2014 2