Ciclo de Rankine: Que é? (Ideal vs. Real + Diagrama T-s)

Que é o ciclo Rankine?

O ciclo Rankine é un ciclo mecánico comúnmente usado nas centrais eléctricas para converter a enerxía de presión do vapor en enerxía mecánica a través de turbinas de vapor. Os compoñentes principais do ciclo Rankine inclúen unha turbina de vapor rotativa, unha bomba de caldeira, un condensador estacionario e unha caldeira.

A caldeira úsase para calentar a auga para o vapor á presión e temperatura necesarias segundo os requisitos da turbina para a xeración de enerxía.

O escape da turbina diríxese ao condensador de fluxo radial ou axial para condensar o vapor a condensado e reciclarse de volta á caldeira a través de bombas de caldeira para volver a calentarse.

Isto pode ter máis sentido se damos un paso atrás e entendemos como é un ciclo típico de central eléctrica.

Ciclo típico de central eléctrica

A enerxía eléctrica xérase usando centrais térmicas de ciclo de vapor utilizando carón, lignito, gasóleo ou aceite pesado de forno como combustible, dependendo da disponibilidade e custo. O esquema de flujo do ciclo de vapor dáse a continuación:

Toda a central eléctrica pode dividirse nos seguintes sub-sistemas.

• Sub-sistema A: Clasificado como os componentes principais da central eléctrica (Turbina, Condensador, Bomba, Caldeira) para a xeración de enerxía.

• Sub-sistema B: Clasificado como a chimenea, desde onde os gases residuais son expulsados á atmosfera.

• Sub-sistema C: Clasificado como un xerador eléctrico para converter a enerxía mecánica en enerxía eléctrica.

• Sub-sistema D: Clasificado como o sistema de auga de refrixeración para absorber o calor do vapor rexeitado no condensador e cambiar a fase do vapor a líquido (condensado).

Analizaremos o sub-sistema dentro deste ciclo de central eléctrica que trata co ciclo Rankine.

Muitas das limitacións prácticas relacionadas co ciclo de Carnot poden superarse convenientemente no ciclo Rankine.

Ciclo Rankine ideal

Nun ciclo de vapor, se o fluido de traballo nun ciclo de vapor pasa por varios compoñentes da central eléctrica sen irreversibilidade e perda de presión debido á fricción, entón o ciclo chámase Ciclo Rankine Ideal.

O ciclo Rankine é o ciclo operativo básico para todas as centrais eléctricas onde un fluido de traballo cambia continuamente a súa fase de líquido a vapor e viceversa.

Os diagramas (p-h) e (T-s) son útiles para entender o funcionamento do ciclo Rankine xunto coa descrición dada a continuación:

1-2-3 Transferencia de calor isobárica ou adición de calor a presión constante na caldeira

A caldeira é un gran intercambiador de calor onde o combustible liberador de calor, como carón, lignito ou petróleo, transmite indirectamente o calor á auga a presión constante. A auga entra na caldeira de vapor desde a bomba de alimentación da caldeira como un líquido comprimido no estado-1 e é calentada á temperatura de saturación como se mostra no diagrama T-s no estado-3.

O balance de enerxía na caldeira é ou a enerxía engadida nun xerador de vapor,
qin= h3-h1

3-4 Expansión isentrópica ou expansión isentrópica nunha turbina

O vapor da saída da caldeira entra na turbina no estado 3, onde se expande isentrópicamente sobre a pala fixa e móbil da turbina para producir o traballo realizado na forma de rotación mecánica do eixo da turbina, que está conectado ao xerador eléctrico.
Traballo entregado pola turbina (Ignorando a transferencia de calor co entorno)
Wturbina out= h3-h4

4-5 Rexección de calor isobárica ou rexección de calor a presión constante no condensador

No estado-4, o vapor entra no condensador. O cambio de fase ocorre como o vapor é condensado a líquido a presión constante no condensador transferindo o calor do vapor ao fluxo de auga circulante a través dos tubos do condensador. O cambio de fase ocorre no condensador, e o fluido de traballo que sae do condensador está nun estado líquido e marcado como punto 5.
Enerxía rexeitada no condensador, qout= h4-h5

5-1 Compresión isentrópica ou compresión isentrópica nunha bomba

A auga sai do condensador no estado 5 e entra na bomba. Esta bomba aumenta a presión da auga impartindo traballo durante os procesos. En unidades de menor tamaño e baixo volume específico, este pequeno traballo pode ser ignorado comparativamente co traballo de saída dunha turbina de vapor.
Traballo realizado na bomba por kg de auga, W51= h5-h1.