CICLO RANKINE

Ciclo de Rankine
Introducción



El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales Térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía Eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estadocondicionada 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 las modificaciones 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 enla caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador.


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 depotencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot queoperase entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la Termodinámica).

Ciclo ideal de Ranking

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 quepueden 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 presiónque 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 manerael ciclo.

Variables

Qin: Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)


Caudal másico (masa por unidad de tiempo)

Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)

Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional)




El rendimiento

Elrendimiento viene definido, como en todo ciclo, por
Rt = W/Qabs

Donde

Rt: Rendimiento térmico.

W: Trabajo neto realizado.

Qabs: Calor absorbido.

Convenio de signos
Por convención de signos, un signo negativo significa lo contrario. Es decir, un trabajo negativo significa que el trabajo es realizado sobre el sistema, una cantidad de calor positiva significa que el calor esabsorbido por el sistema. Con este convenio de signos el trabajo neto obtenido en el ciclo deberá ser, por lo tanto, negativo. Tal como está definido, y despreciando los cambios en energía mecánica, a partir de la primera ley. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entreetapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.

Etapas

Las etapas de un ciclo ideal de Rankine pueden ser representadas en un diagrama temperatura vs entropía (T-S) como se muestra la figura.

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...