EL CICLO DE RANKINE – TERMODINÁMICA
OBJETIVO:
Estudiar el ciclo Rankine, analizando la influencia en el
rendimiento termodinámico y en la calidad o título de vapor en la turbina, de
los parámetros termodinámicos fundamentales que lo caracterizan y de la
incorporación del recalentamiento y calentamiento regenerativo.
ALCANCE:
El ciclo de Rankine es el ciclo ideal que sirve de base al
funcionamiento de las centrales térmicas, las cuales, producen actualmente la
mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo.
MARCO TEÓRICO:
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 de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está
acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre
los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico
escocés William John Macquorn Rankine.
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.
PROCESO:
El ciclo Rankine utiliza un fluido de trabajo que
alternativamente evapora y condensa, típicamente agua (si bien existen otros
tipos de sustancias que pueden 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 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.
Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten
mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la
entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración
del agua de alimentación a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar
térmica (centrales termo solares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un
campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre.
Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico,
habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos
que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de
vapor convencional.
ETAPAS: Diagrama T-s del ciclo
El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta
presión sobrecalentado.
El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por
cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son
los equipos que operan según procesos isoentrópicos (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 sobre calentado; 2:
mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4:
líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los 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 y se genera potencia en el eje
de la misma.
Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión
constante desde 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.
Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del 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 cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor
sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por
la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se
obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser
muy pequeña en comparación y suele despreciarse).
En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal
descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el
condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría
una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de
la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al
proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al
ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de
la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una
influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.
En las centrales térmicas de gas se utiliza un ciclo
"hermano" del ciclo Rankine ideal: el ciclo Brayton ideal. Este ciclo
utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas durante todo el
ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en lugar de una bomba
(constructivamente suele ir solidariamente unida a la turbina de gas en un eje
común); por otro lado, el equipo donde se produce la combustión no se denomina
caldera sino cámara de combustión o combustor. Los equipos utilizados en estas
instalaciones son más compactos que los de las centrales térmicas de vapor y
utilizan como combustible habitual el gas natural. Finalmente ambos tipos de
ciclos se integran en las centrales térmicas de ciclo combinado, donde el calor
rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración más simple, aportado por
los gases calientes de la combustión que abandonan la turbina de gas) es
utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la caldera).
ECUACIONES:
Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del
balance de energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta
ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y
se define como la relación entre la potencia de salida con respecto a la
potencia térmica de entrada.
MEJORAS DEL CICLO RANKINE
La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el
salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la
turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas
(tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:
- Reducción
de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye
automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo
a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la
humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en
los álabes de la turbina.
- Aumentar
la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la
presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el
rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la
humedad excesiva que aparece.
- Sobrecalentar
la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el
vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de
la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento
de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas
temperaturas.
- Recalentamientos
intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias
etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante
recalendatores (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales
nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da
lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
- Realizar
extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a
la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no
suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento
considerable frente a la complicación técnica que conllevan.
PROCEDIMIENTO:
1.Estructura Nº1.
2.Variables.
3.Ecuaciones.
RESULTADO:
Conclusiones:
- Cuando
la planta funciona en ciclo cerrado el rendimiento de la planta de
generación de vapor es más efectiva que al trabajar en ciclo abierto,
debido al condensador empleado en el ciclo cerrado, el cual rechazo calor
hacia la atmósfera.
- Las
eficiencias de la planta fueron relativamente bajas, como resultado de las
irreversibilidades existentes, como el roce entre el agua y los
componentes de la planta, las pérdidas de calor a través de las tuberías
del sistema y de las paredes de la turbina, permitiendo que esta
no sea completamente adiabática.
- Las
caídas de presión entre la salida y la entrada de los
dispositivos, se debe a las tuberías de la conexión, admitiendo así la
diferencia que existe entre ciclo de vapor real respecto del ideal; es
decir en estos no se toma en cuenta dichas caídas o diferencias.
- Al
comparar el trabajo útil del ciclo cerrado con respecto al
trabajo útil del ciclo abierto se observa que el primero es menor, como
consecuencia de la ausencia del condensador el cual libera calor a la atmósfera
quedando solo liquido saturado en éste, por lo que entra a la bomba para
completar el ciclo. Aunque las relaciones de trabajo son iguales para
ambos ciclos (0.005); o sea, requiriendo el 0.5% del trabajo de la turbina
para operar la bomba; sin importar el ciclo de funcionamiento.
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