Ciclo Rankine

William Rankine
(Edimburgo, 1820-Glasgow, Reino Unido, 1872) Ingeniero y físico británico. Contribuyó a dar una orientación moderna a la técnica de las construcciones y a la ingeniería mecánica, sistematizando sobre bases racionales las muchas nociones y hábitos de trabajo que habían ido evolucionando con la práctica. Desde 1840 se dedicó al estudio de las leyes de la termodinámica; en elManual of the Steam Engine (1859) desarrolló analíticamente el complejo de las transformaciones del vapor en las máquinas térmicas, y estableció el ciclo termodinámico característico (ciclo de Rankine). Defensor convencido de la «energía», desempeñó un importante papel en los debates teóricos de la física de la segunda mitad del siglo XIX. En un escrito de 1855, Outlines of the Science of Energetics(Esbozos para una ciencia de la energía), propuso asumir los principios de la termodinámica para comprender los fenómenos físicos.

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 otrostipos de sustancias que pueden ser utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de uncombustible, 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). Elvapor 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.
El rendimiento
El rendimiento viene definido, como en todo ciclo, por
Rt = W/Qabs
Donde
Rt: Rendimiento térmico.
W: Trabajo neto realizado.
Qabs: Calor absorbido.




Diagrama T-S
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 procesosisoentrópicos (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 sonlos 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 o una máquina de vapor reciprocante en las cuales se genera potencia en el eje de las mismas.
• Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constantedesde 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, el calor rechazado puede utilizarse en la mayoría de los procesos para otros usos tecnológicos en el caso específico de las industrias.
• Proceso 3-4: Compresión isoentrópicadel 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...