Ronal Jos

El Ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo. Es el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor (centrales eléctricas de vapor), esta compuesto de cuatro procesos (ver Figura 1), los cuales son:



Figura 1.


Proceso 4 – 1:

Compresión isentrópica en una bomba: El agua entra a la bomba en el estado 4 comolíquido saturado y se condensa isentrópicamente hasta la presión de operación de la caldera. La condición del líquido a la salida de la bomba es [LÍQUIDO COMPRIMIDO (1), NO ES LÍQUIDO SATURADO, “OJO CON ESTO”]. La temperatura del agua aumenta ligeramente debido a una ligera disminución en el volumen específico del agua, como podemos observar en el grafico T – s de la Figura 1.
Proceso 1 – 2:Adición de calor a presión constante en una caldera: El agua entra a la caldera como liquido comprimido en el estado 1 y sale como vapor sobrecalentado en el estado 2. La caldera es básicamente un intercambiador de calor en donde el calor originado en los gases de combustión, reactores nucleares u otras fuentes se transfiere al agua a presión constante.
Proceso 2 – 3:
Expansión isentrópica enuna turbina: El vapor sobrecalentado en el estado 2 entra a la turbina donde se expande isentrópicamente y produce trabajo al hacer girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión y temperatura del vapor disminuyen durante este proceso hasta los valores del estado 3, donde le vapor entra al condensador. En este estado el vapor es una mezcla saturada de líquido vapor con una altacalidad.
Proceso 3 – 4:
Rechazo de calor a presión constante en un condensador: El vapor se condensa a presión constante en el condensador, el cual es básicamente un intercambiador de calor que rechaza a este hacia un medio de enfriamiento como puede ser un lago un río o la atmósfera, el vapor sale del condensador como liquido saturado y entra a la bomba completando el ciclo.
En el diagrama T – sel área bajo la curva del proceso 1 – 2 representa el calor transferido al agua en la caldera y el área bajo la curva del proceso 3 – 4 representa el calor rechazado en el condensador, la diferencia entre estas dos áreas (el área encerrada por el ciclo) es el trabajo neto producido durante el ciclo.

Análisis por componente:
Partiendo de la última ecuación obtenida la relación de conservaciónde la energía puede expresarse para cada componente de la siguiente manera:


Componente
Condiciones
Ecuación de energía

Bomba

No hay transferencia de calor por lo tanto q = 0, no hay trabajo de salida por lo tanto tenemos que wsalida = 0.


Donde h1 será hF a la presión P4 y a la presión P4.


Caldera

No hay transferencia de trabajo por lo tanto w = 0, y qsalida = 0.Turbina

No hay transferencia de calor por lo tanto q = 0, no hay trabajo de salida por lo tanto tenemos que wentrada = 0.




Condensador

No hay transferencia de trabajo por lo tanto w = 0, y qentrada = 0.



Eficiencia térmica del ciclo Rankine:
La eficiencia térmica del ciclo Rankine se determina a partir de:



Donde:

Desviaciones en los ciclos de potenciade vapor reales respecto de los idealizados.
Los ciclos de vapor reales difieren del ciclo Rankine ideal debido a las irreversibilidades en los diversos componentes, como la fricción del fluido y las pérdidas de calor hacia los alrededores son las fuentes más comunes de irreversibilidades. La primera ocasiona la caída de presión en las calderas, en el condensador y en las tuberías, esto traecomo consecuencia que el vapor salga de la caldera a un presión menor de la deseada, si agregamos a esto la pérdidas que se producen en las tuberías la presión de entrada en la turbina será un poco más baja que la de la salida en la caldera. Para compensar todas estas caídas de presión el agua debe bombearse a una presión más alta que la que tiene el ciclo ideal.
La pérdida de calor del vapor...