Ciclo de Rankine
El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como
objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un
ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está
acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre
los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico
escocés William John Macquorn Rankine.
- Proceso
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del
proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza
un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua
(si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en
los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de
agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una
turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje,
solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la
electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la
turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia
al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de
refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una
bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver
a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
- Diagrama T-s del ciclo
El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por
cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la turbina son
los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente
reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por
tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos
por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2:
mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4:
líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo
ideal (procesos internamente reversibles):
- Proceso
1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la
presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una
turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
- Proceso
2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo
hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo
alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador
(intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.
- Proceso
3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida
mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la
presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
- Proceso
4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante
en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se
calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio
de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este
vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para
generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene
realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy
pequeña en comparación y suele despreciarse).
- Ecuaciones
Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del
balance de energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta
ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define
como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica
de entrada.
- Variables
- Mejoras del Ciclo Rankine
La idea para mejorar un ciclo rankine es
aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la
turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas
(tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:
1. Reducción
de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye
automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la
turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad
del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.
2. Aumentar
la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión
aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la
turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que
aparece.
3. Sobrecalentar
la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a
altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como
ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado
por los materiales a soportar altas temperaturas.
4. Recalentamientos
intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas
de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores
(Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador.
Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y
baja presión de turbina.
5. Realizar
extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la
caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las
7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la
complicación técnica que conllevan.
- Extracción de vapor
En esta variación se introduce un nuevo
elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elemento consiste en un
intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientes
de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las dos corrientes
que entran al calentador una proviene de una extracción de vapor de la turbina
y la otra del condensador (sufre la expansión total). Como las presiones en el
calentador han de ser iguales, se añade una bomba después del condensador para
igualar la presión de la parte del vapor que ha sufrido la expansión completa a
la de la extracción. En esta variación del ciclo de Rankine, encontramos
ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una
reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado también
encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la turbina y
un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a la
instalación una bomba más y un mezclador de flujos.
- Procedimiento y Resultado
Escribimos la estructura en el programa C++:
Luego tenemos las bases:
Copilamos:
Escribimos el proceso matemático para obtener el resultado
Resultado:
Driver:
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