Ciclo rankine en máquinas térmicas

Ciclo de Rankine
3º Ingeniería Química Máquinas Térmicas

Eliana Cabrera Valerón Lidia Monroy Alemán

Curso 2011-2012

1. Introducción Teórica
El ciclo termodinámico de Rankine tiene como fin convertir el calor en trabajo, conformando un ciclo de potencia. Su eficiencia está definida por la eficiencia termodinámica del ciclo ideal de Carnot. El ciclo Rankine es un ciclo que opera convapor, y es el que se utiliza en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor. Éste será llevado a una turbina donde produce energía cinética a costa de perder presión. Su camino continúa al seguir hacia un condensador donde lo que queda de vapor pasa a estado líquido para poder entrar a una bomba que le subirá la presión paranuevamente poder introducirlo a la caldera. Los diagramas p-V en los que interviene un líquido que se vaporiza tienen una diferencia respecto a los de gas: aparece la llamada campana de cambio de fase.

A la izquierda de la campana tenemos estado líquido, que apenas varía su volumen cuando se calienta o se aumenta su presión. Por eso las líneas isotermas son casi verticales. A la derecha de lacampana tenemos vapor, que se comporta como un gas, por lo que las líneas isotermas son similares a las de los gases ideales. En el interior de la campana, el líquido se está evaporando, y las líneas de temperatura constante son horizontales. Esto es debido a que dada una

presión, el calor que se le aporte al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en la evaporación. Después de laintroducción y la explicación del diagrama p-V para el cambio de fase, el ciclo en detalle es el siguiente:
Ciclo de Rankine en el diagrama de entropía

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En el proceso E-A se aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor mediante un compresor o bomba, al que se aporta un pequeño trabajo (compresión isentrópica en una bomba). El proceso A-B-C es una transmisión de calor haciael fluido de trabajo a presión constante en la caldera. Con este calor se evapora todo el líquido y se calienta el vapor hasta la temperatura máxima (adición de calor a presión constante en una caldera). La expansión del proceso C-D se realiza de forma adiabática. El vapor realiza un trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta un

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valor bajo de presión al cual se transfiereel vapor al condensador (expansión isentrópica en una turbina). El proceso D-E consiste en refrigerar el vapor de trabajo a presión constante en el condensador hasta el estado de líquido, para iniciar de nuevo el ciclo (rechazo de calor a presión constante en un condensador).

El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas devapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. La idea básica detrás de todas lasmodificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador.

2. Ciclo Rankine Simple
Inicialmente consideraremos en la instalación bombas y turbinas ideales, para posteriormente analizar elefecto de las irreversibilidades sobre el funcionamiento de la planta.   Diseñe inicialmente el esquema de la planta con sus componentes: caldera, turbina, bomba y condensador Suponer las siguientes características de trabajo de los dispositivos: Turbina y bomba son isoentrópicos; condensador y caldera son isobáricos.

Comenzaremos por las tres formas de aumentar el rendimiento en un ciclo de...