Teoria y ejercicio rankine regenerativo

1. Introducción
La planta de generación de vapor ideal que aparece en el esquema de la Figura 1 se puede analizar mediante el ciclo Rankine, cuyos diagramas presión-volumen y temperatura entropíaaparecen en la Figura 2. El vapor saturado seco descargado por la caldera a una presión P1 es suministrado a la turbina, en donde se expande isoentrópicamente hasta la presión P2. En el condensador setransforma el vapor húmedo, isobárica e isotérmicamente, en líquido saturado mediante la remoción de calor. Puesto  que la presión en el condensador P2 = P3 es mucho menor que la presión del vapor en la presión del vapor  en la caldera P4 = P1, el líquido saturado se bombea isoentrópicamente hasta alcanzar la presión P4. El líquido comprimido es suministrado por la caldera, en donde se calientaprimero hasta la temperatura de saturación correspondiente a la presión P1, y luego se evapora hasta transformarse finalmente en vapor saturado seco para terminar el ciclo termodinámico.
La eficiencia térmica de este ciclo Rankine ideal puede obtenerse recurriendo a la primera ley de la termodinámica.
En consecuencia:
La diferencia de entalpía en el proceso isoentrópico 3-4 puede calcularse através de la expresión:
El trabajorequerido por la bomba es generalmente muy pequeño comparado con el trabajo desarrollado por la turbina. De aquí que la expresión del rendimiento generalmente se simplifique así:
La eficiencia térmica del ciclo puede incrementarse aumentando la entalpía del vapor suministrado a la turbina. Dicha entalpía puede incrementarse aumentando la temperatura del vapor en lacaldera. Este calentamiento puede lograrse mediante el empleo de un sobrecalentador, el cual permite aumentar isobáricamente la entalpía del vapor, transformándolo en vapor sobrecalentado.
La Figura 3 ilustra en forma esquemática en ciclo Rankine con sobrecalentamiento. El trabajo desarrollado por el ciclo se incrementa por el área x-1-2-a-x, y el calor transferido a la caldera por el áreax-1-2'-a'-x, aumentándose así la eficiencia térmica del ciclo. Obsérvese que el título del vapor descargado por la turbina también se incrementa, o en otras palabras, la humedad disminuye.
La eficiencia térmica del ciclo Rankine también puede incrementarse disminuyendo la entalpía del vapor a la descarga de la turbina. Esta disminución generalmente se logra disminuyendo la presión de operación decondensador. Sin embargo, una disminución de la presión de descarga trae como consecuencia un aumento en la humedad del vapor descargado por la turbina. Esta consecuencia es significativa si se considera que una humedad excesiva en los últimos pasos de la turbina origina una disminución en el rendimiento de ésta, y puede dar origen a la erosión de los alabes.
2. Ciclo Rankine con Recalentamiento
Laeficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en unaparte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. Un ciclo ideal con recalentamiento, y su correspondiente diagramatemperatura-entropía aparece en la siguiente figura. Obsérvese en esta figura que el ciclo Rankine con sobrecalentamiento solamente, sería más eficiente que el ciclocon recalentamiento, si en el primero fuera posible calentar el vapor hasta el estado 1' sin incurrir en problemas de materiales.
El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en...