Ciclo de Rankine: ¿Qué es? (Ideal vs. Real + Diagrama T-s)
¿Qué es el ciclo de Rankine?
El ciclo de Rankine es un ciclo mecánico comúnmente utilizado en centrales eléctricas para convertir la energía de presión del vapor en energía mecánica a través de turbinas de vapor. Los componentes principales del ciclo de Rankine incluyen una turbina de vapor rotativa, una bomba de caldera, un condensador estacionario y una caldera.
Se utiliza una caldera para calentar el agua para generar vapor a la presión y temperatura requeridas según las necesidades de la turbina para la generación de energía.
El escape de la turbina se dirige al condensador de flujo radial o axial para condensar el vapor a condensado y reciclarlo de nuevo a la caldera a través de bombas de caldera para ser calentado nuevamente.
Esto puede tener más sentido si damos un paso atrás y entendemos cómo se ve un ciclo típico de una central eléctrica.
Ciclo típico de una central eléctrica
La energía eléctrica se genera utilizando plantas de potencia de ciclo de vapor con carbón, lignito, diésel, aceite pesado de horno, como combustible, dependiendo de la disponibilidad y el costo. El esquema de flujo del ciclo de vapor se muestra a continuación:
Toda la central eléctrica se puede dividir en los siguientes sub-sistemas.
Sub-sistema A: Clasificado como los componentes principales de la central eléctrica (Turbina, Condensador, Bomba, Caldera) para la generación de energía.
Sub-sistema B: Clasificado como la chimenea, desde donde se expulsan los gases de escape a la atmósfera.
Sub-sistema C: Clasificado como un generador eléctrico para convertir la energía mecánica en energía eléctrica.
Sub-sistema D: Clasificado como el sistema de agua de enfriamiento para absorber el calor del vapor rechazado en el condensador y cambiar la fase del vapor a líquido (condensado).
Analizaremos el sub-sistema dentro de este ciclo de la central eléctrica que trata el ciclo de Rankine.
Muchas de las limitaciones prácticas relacionadas con el ciclo de Carnot se pueden superar convenientemente en el ciclo de Rankine.
Ciclo de Rankine ideal
En un ciclo de vapor, si el fluido de trabajo en un ciclo de vapor pasa por varios componentes de la central eléctrica sin irreversibilidad y caída de presión por fricción, entonces el ciclo se llama Ciclo de Rankine Ideal.
El ciclo de Rankine es el ciclo operativo básico para todas las centrales eléctricas donde un fluido de trabajo cambia continuamente su fase de líquido a vapor y viceversa.
Los diagramas (p-h) y (T-s) son útiles para entender el funcionamiento del ciclo de Rankine junto con la descripción dada a continuación:
1-2-3 Transferencia de calor isobárica o adición de calor a presión constante en una caldera
La caldera es un gran intercambiador de calor donde un combustible liberador de calor, como el carbón, lignito o petróleo, transfiere indirectamente el calor al agua a presión constante. El agua ingresa a la caldera de vapor desde la bomba de alimentación de la caldera como un líquido comprimido en el estado-1 y se calienta hasta la temperatura de saturación, como se muestra en el diagrama T-s en el estado-3.
El balance de energía en la caldera o la energía añadida en un generador de vapor es,
qin= h3-h1
3-4 Expansión isentrópica o expansión isentrópica en una turbina
El vapor desde la salida de la caldera ingresa a la turbina en el estado 3, donde se expande isentrópicamente sobre las palas fijas y móviles de la turbina para producir trabajo en forma de rotación mecánica del eje de la turbina, que está conectado al generador eléctrico.
Trabajo entregado por la turbina (despreciando la transferencia de calor con el entorno)
Wturbina out= h3-h4
4-5 Rechazo de calor isobárico o rechazo de calor a presión constante en un condensador
En el estado-4, el vapor ingresa al condensador. Se produce un cambio de fase mientras el vapor se condensa a líquido a presión constante en el condensador, transfiriendo el calor del vapor al flujo de agua circulante a través de las tuberías del condensador. Se produce un cambio de fase en el condensador, y el fluido de trabajo que sale del condensador está en estado líquido y se marca como punto 5.
Energía rechazada en el condensador, qout= h4-h5
5-1 Compresión isentrópica o compresión isentrópica en una bomba
El agua sale del condensador en el estado 5 y entra en la bomba. Esta bomba eleva la presión del agua impartiendo trabajo durante los procesos. En unidades de menor tamaño y volumen específico bajo, este pequeño trabajo se puede despreciar en comparación con el trabajo de salida de una turbina de vapor.
Trabajo realizado en la bomba por kg de agua, W51= h5-h1.
