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.
Existen algunas
mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo
sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre
etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.
Existen también
centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares),
en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores
cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de
centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales
fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan,
serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.
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).
En un ciclo más realista que el
ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no
serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de
carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El
rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento
de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel
principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento.
El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el
condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción
de rendimiento del ciclo.
En las centrales térmicas de gas
se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo utiliza un fluido de
trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el ciclo (no hay
condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba
(constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje
común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina
caldera sino cámara de combustión o combustor.
Los equipos utilizados en estas
instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y
utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de
ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el
calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportada
por los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es
utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera)
Variables
Qin = Potencia térmica de
entrada (energía por unidad de tiempo)
m = Caudal
másico (masa por unidad de tiempo)
W = Potencia
mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)
n = Rendimiento
térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la
potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional)
h1,h2,h3,h4 = Entalpías específicas de los
estados principales del ciclo
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.
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