El ciclo de Rankine es un ciclo
termodinámico que convierte calor en trabajo. El calor se suministra
externamente a un bucle cerrado, que usualmente usa agua como fluido de
trabajo. Este ciclo genera aproximadamente el 80 % de la electricidad en todo
el mundo, incluyendo toda la energía térmica solar, biomasa, carbón y plantas
nucleares.
Un ciclo de Rankine describe un
modelo de la operación del motor térmico de vapor más comúnmente encontrado en
las plantas de generación de energía. Las fuentes de calor comunes para plantas
usando el ciclo de Rankine son carbón, gas natural, petróleo y nuclear.
La eficiencia de un ciclo de
Rankine usualmente se limita al fluido de trabajo. Sin la presión alcanzando
niveles supercríticos el rango de temperatura del ciclo puede operar con
temperaturas a la entrada de turbine bastante pequeñas, típicamente 565 ºC (el
límite de fluencia del acero inoxidable) y temperaturas del condensador son
alrededor de 30 ºC. Esto da una eficiencia de Carnot teórica de alrededor del
63 % comparado con una eficiencia actual del 42 % para una estación de potencia
de carbón moderna. Esta temperatura de entrada a la turbina baja (comparada con
una turbina de gas) es por lo que el ciclo de Rankine se usa a menudo como un
ciclo base en las estaciones de potencia de turbina de gas de ciclo combinado.
El fluido de trabajo en un ciclo
de Rankine sigue un ciclo cerrado y se reutiliza constantemente. El vapor de agua y las gotitas atrapadas a
menudo se ven como oleadas de las estaciones de potencia son generadas por los
sistemas de refrigeración (no desde el ciclo de potencia de Rankine de bucle
cerrado) y representan un calor residual que no puede convertirse en trabajo
útil. Nótese que las torres de refrigeración operan usando el calor latente de
vaporización del fluido de refrigeración. Las nubes en oleadas blancas que se
forman durante la operación de la torre de refrigeración son el resultado de
las gotitas de agua que son arrastradas en el caudal de la torre de
refrigeración.; no es, como comúnmente se piensa, vapor. Si bien muchas
sustancias pueden usarse en el ciclo de Rankine, el agua es usualmente el
fluido de elección debido a sus propiedades favorables, tales como una química
no tóxica y no reactiva, abundancia, y bajo coste, además de sus propiedades
termodinámicas.
Una de las principales ventajas
que mantiene sobre otros ciclos es que durante la etapa de compresión se
requiere relativamente poco trabajo para impulsar la bomba, debido a que el
fluido de trabajo está en su fase líquida en este punto. Condensando el fluido
a líquido, el trabajo requerido por la bomba sólo consumirá aproximadamente
entre un 1 % y un 3 % de la potencia de la turbina para así dar una eficiencia
mucho mayor al ciclo real. Este beneficio se pierde algo debido a la
temperatura de adición de calor más baja. En las temperaturas de gas, por
ejemplo, tenemos una temperatura de entrada que se aproxima a 1.500 ºC
Procesos del ciclo de Rankine
El diagrama del ciclo de Rankine
típico es el que mostramos en la figura con la que abrimos el artículo. El
ciclo opera con presiones que van de 0,06 bares a 50 bares.
Hay cuatro procesos en el ciclo
de Rankine, cada uno cambiando el estado del fluido de trabajo. Estos estados
se identifican por números en el diagrama.
- Proceso 1 - 2. El fluido de trabajo es bombeado desde una presión baja a alta, cuando el fluido está líquido en esta etapa la bomba requiere poca energía de entrada.
- Proceso 2 – 3. El líquido a presión alta entra en la caldera donde se calienta a presión constante por una fuente de calor externa que lo hace transformarse en vapor saturado.
- Proceso 3 – 4. El vapor saturado seco se expande a través de una turbina, generando potencia. Esto hace decrecer la temperatura y presión del vapor, y puede ocurrir alguna condensación.
- Proceso 4 – 1. El vapor húmedo luego entra en un condensador donde se condensa a una presión y temperatura constante llegando a ser líquido saturado. La presión y temperatura del condensador está fijado por la temperatura de los serpentines de refrigeración cuando el fluido se somete a un cambio de fase.
En un ciclo de Rankine la bomba y
la turbina sería isentrópica, es decir, la bomba y la turbina no generarían
entropía y de aquí se maximizará la producción de trabajo neta. Los procesos 1
– 2 y 3 – 4 se representan por líneas verticales en el diagrama Ts y más
cercanamente se parece al ciclo de Carnot. El ciclo de Rankine mostrado aquí
previene que el vapor acabe en la región sobrecalentada después de la expansión
en la turbina, que reduce la energía extraída por los condensadores.
Herramienta de cálculo
En el siguiente enlace mostramos
una plantilla
que realiza de forma sencilla el análisis del ciclo (de vapor) de Rankine. El
usuario cumplimentará los datos en la parte superior de la tabla y el resto de
la herramienta se calculará.
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