Ciclo Rankine diagramas-Tablas y conceptos

CICLO RANKINE

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina.

Diagrama T-s del ciclo Rankine

Diagrama T-S para el agua-vapor de agua

Abscisas: Entropia S (KJ/Kg ºk)

Ordenadas: Temperatura ºC

Curva de presión en MPa

Curva de Entalpía H (KJ/Kg)

Curva de Titulo de Vapor X (%)

En este diagrama se pueden obtener los datos del vapor o del agua según los requerimientos de funcionamiento del sistema. 

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.

Descripción del Proceso 
El diagrama T-S de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):

• Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.
• Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga.
• Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera.
• Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).

En un ciclo más realista que el ciclo Rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ello generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentrópico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.

Variables

	Potencia térmica de entrada (energía por unidad de tiempo)
	Caudal másico (masa por unidad de tiempo)
	Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía por unidad de tiempo)
	Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la potencia generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la caldera, adimensional)
, , ,	Entalpías específicas de los estados principales del ciclo

Ecuaciones

Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de entrada.

Se puede hacer un balance energético en el condensador y la caldera, lo que nos permite conocer los flujos masicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energía perdida.

Mejoras del Ciclo Rankine

La idea para mejorar un ciclo rankine es aumentar el salto entálpico entre 1 y 2, es decir, el trabajo entregado a la turbina. Las mejoras que se realizan de forma habitual en centrales térmicas (tanto de carbón, como ciclos combinados o nucleares) son:

1. Reducción de la presión del condensador: En este procedimiento se disminuye automáticamente la temperatura del condensador otorgando un mayor trabajo a la turbina, una disminución del calor rechazado. La desventaja es que la humedad del vapor empieza a aumentar ocasionando erosión en los álabes de la turbina.
2. Aumentar la presión de la caldera para una temperatura fija: Al aumentar la presión aumenta la temperatura a la cual se añade calor aumentando el rendimiento de la turbina por ende la del ciclo. La desventaja es la humedad excesiva que aparece.
3. Sobrecalentar la temperatura de entrada de la turbina: se procede a recalentar el vapor a altas temperaturas para obtener un mayor trabajo de la turbina, tiene como ventaja que la humedad disminuye. Este aumento de la temperatura está limitado por los materiales a soportar altas temperaturas.
4. Recalentamientos intermedios del vapor, escalonando su expansión. Esto es, tener varias etapas de turbina, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalendadores (Dino) (Moisture Steam Reheaters en el caso de centrales nucleares) y de economizador. Este escalonamiento de la expansión da lugar a los cuerpos de alta, media y baja presión de turbina.
5. Realizar extracciones de vapor en la turbina, calentando el agua de alimentación a la caldera, aumentando su entalpía. El número de extracciones no suele superar las 7, ya que no implicaría una mejora de rendimiento considerable frente a la complicación técnica que conllevan.

Entalpía 

(del griego ἐνθάλπω [enthálpō], «agregar calor»; formado por ἐν [en], «en» y θάλπω [thálpō], «calentar») es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede entender como un sistema termodinámico. Se trata de una transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.

Dentro del Sistema Internacional de Unidades, la entalpía se mide habitualmente en joules que, en principio, se introdujo como unidad de trabajo.

Vaporización:

          Si a un líquido sometido a cierta presión se le cede Calor, su temperatura aumenta hasta un valor determinado, momento a partir del cual comienza a vaporizarse, formándose un vapor en presencia del líquido que se llama Vapor Saturado. Esta temperatura, que recibe el nombre de Temperatura de Saturación Ts, no depende más que de la presión a que se encuentra sometido el fluido, existiendo entre ambas magnitudes una relación de la forma que varía según la naturaleza del líquido, y que para cada fluido podrá ser tabulada o representada gráficamente mediante una cierta curva que se llama Curva de tensión de Vapor. Esta curva es ascendente, constatándose, por ello, que cuanto mayor es la presión que se obra sobre el líquido, es mayor la temperatura de saturación. Así, para el agua la presión de 1 kg/cm2, corresponde una temperatura de saturación de 99,1º C, y a mayores presiones la temperatura de saturación son mayores:
para p = 5 kg/cm2, Ts=151,1º C
para p = 10 kg/cm2, Ts=179,0º C
para p = 20 kg/cm2, Ts=211,4º C
Si una vez alcanzada la temperatura de saturación el fluido sigue recibiendo calorsin modificar la presión exterior, comienza la vaporización, proceso que se realiza a temperatura constante Ts, (osea es un proceso isotérmico). El vapor saturado pasa por una serie de estados sucesivos, en los cuales va perdiendo paulatinamente la cantidad de líquido que lo acompaña; la sustancia consta de dos fases, pues observamos líquidos en presencia de vapor, tenemos entonces un Vapor Saturado Húmedo, que comúnmente se llama vapor húmedo.. Cuando la última gota de vapor se transforma en vapor, el vapor que ha perdido toda su humedad se denomina Vapor Saturado Seco.
Si llegando al estado de vapor saturado y seco se sigue aportando al fluido nuevas cantidades de calor, la temperatura se eleva y se produce el Vapor Sobrecalentado.

DIAGRAMA Y TABLAS

TABLA DE VAPOR SOBRECALENTADO

Esta tabla nos brinda los valores de energía U, Entalpía h y Entropia S, entrando con datos conocidos como la Presión y Temperatura de vapor sobrecalentado. Los valores de esta Tabla se corresponde con los valores extrapolados del diagrama T-S.