Herramienta de análisis y simulación del ciclo de Rankine

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.

El ciclo de Rankine a veces se denomina ciclo de Carnot práctico, ya que, cuando se usa una turbina, el diagrama TS comienza a parecer el ciclo de Carnot. La diferencia principal es que una bomba se usa para presurizar líquido en vez de gas. Esto requiere alrededor del 1 % de la energía que se usa al comprimir un gas en un compresor.

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.