Cicle de Rankine: Què és? (Ideal vs. Real + Diagrama T-s)
Què és el Cicle de Rankine
El Cicle de Rankine és un cicle mecànic que s'utilitza habitualment en les centrals elèctriques per convertir l'energia de pressió del vapor en energia mecànica a través de turbinas de vapor. Els components principals del Cicle de Rankine inclouen una turbina de vapor rotativa, una bomba de caldera, un condensador estacionari i una caldera.
La caldera s'utilitza per escalfar l'aigua per generar vapor a la pressió i temperatura requerides segons les necessitats de la turbina per a la generació d'electricitat.
L'exhaust de la turbina es dirigeix al condensador de flux radial o axial per condensar el vapor a condensat i reciclar-lo de nou a la caldera a través de les bombes de la caldera per ser escalfat de nou.
Això pot tenir més sentit si fem un pas enrere i entendem com és un cicle típic de central elèctrica.
Cicle Típic de Central Elèctrica
L'electricitat es genera utilitzant centrals elèctriques de cicle de vapor amb combustibles com carbó, lignit, gasòl, o oli pesant, depenent de la disponibilitat i el cost. El diagrama de flux del cicle de vapor es mostra a continuació:
Tota la central elèctrica es pot desglossar en els següents sub-sistemes.
Sub-sistema A: Classificat com els components principals de la central elèctrica (Turbina, Condensador, Bomba, Caldera) per a la generació d'electricitat.
Sub-sistema B: Classificat com la pilona o ximeneia, on es descarreguen els gasos residuials a l'atmosfera.
Sub-sistema C: Classificat com un generador elèctric per convertir l'energia mecànica en energia elèctrica.
Sub-sistema D: Classificat com el sistema d'aigua de refrigeració per absorir el calor del vapor rebutjat al condensador i canviar la fase del vapor a líquid (condensat).
Analitzarem el sub-sistema dins d'aquest cicle de central elèctrica que tracta el cicle de Rankine.
Moltes de les limitacions pràctiques relacionades amb el cicle de Carnot es poden superar convenientment en el cicle de Rankine.
Cicle de Rankine Ideal
En un cicle de vapor, si el fluid de treball passa pels diversos components de la central elèctrica sense irreversibilitat ni pèrdua de pressió per fricció, llavors el cicle s'anomena Cicle de Rankine Ideal.
El cicle de Rankine és el cicle bàsic d'operació per a totes les centrals elèctriques on un fluid de treball canvia constantment la seva fase de líquid a vapor i viceversa.
Els diagrames (p-h) i (T-s) són útils per entendre el funcionament del cicle de Rankine juntament amb la descripció donada a continuació:
1-2-3 Transferència de Calor Isobàrica o Adició de Calor a Pressió Constant en una Caldera
La caldera és un gran intercanviador de calor on el combustible que libera calor, com el carbó, lignit o oli, transmet la calor indirectament a l'aigua a pressió constant. L'aigua entra a la caldera de vapor des de la bomba de la caldera com a líquid comprimit a l'estat-1 i s'escalfa a la temperatura de saturació, tal com es mostra en el diagrama T-s com l'estat-3.
El balanç energètic en la caldera o l'energia afegida en un generador de vapor, qin= h3-h1
3-4 Expansió Isentròpica o Expansió isentròpica en una turbina
El vapor de la sortida de la caldera entra a la turbina a l'estat 3, on s'expandeix isentròpicament sobre les paules fixades i mòbils de la turbina per produir treball en forma de rotació mecànica del volant de la turbina, que està connectat al generador elèctric.
Treball realitzat per la turbina (Ignorant la transferència de calor amb l'entorn)
Wturbina out= h3-h4
4-5 Rebutja de Calor Isobàrica o Rebutja de calor a pressió constant en un condensador
A l'estat-4, el vapor entra al condensador. Es produeix un canvi de fase quan el vapor es condensa a líquid a pressió constant en el condensador, transferint el calor del vapor al flux d'aigua circulant a través de les tuberies del condensador. Es produeix un canvi de fase en el condensador, i el fluid de treball que surt del condensador està en estat líquid i es marca com a punt 5.
Energia rebutjada en el condensador, qout= h4-h5
5-1 Compressió Isentròpica o Compressió isentròpica en una bomba
L'aigua surt del condensador a l'estat 5 i entra a la bomba. Aquesta bomba augmenta la pressió de l'aigua impartint treball durant el procés. En unitats de mida menor i baix volum específic, aquest petit treball es pot negligir en comparació amb la sortida de treball d'una turbina de vapor.
Treball realitzat a la bomba per kg d'aigua, W51= h5-h1.
L'eficiència tèrmica del cicle de Rankine es dóna per:
