Ciclo de Rankine

Termodinámica
La clásica máquina térmica de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
Leyes Cero Primero Segundo Tercero
Sistemas Sistema cerrado Sistema abierto Sistema aislado Estado Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Controlar el volumen Instrumentos Procesos Isobárico Isocórico Isotermal Adiabático Isentrópico Isentálpico Cuasistático Politrópico Expansión libre Reversibilidad Irreversibilidad Endorreversibilidad Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiencia térmica
Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensivas Funciones del proceso Trabajar Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad del vapor Propiedades reducidas
Propiedades del material Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\estilo de visualización c=}$ ${\estilo de visualización T}$ ${\displaystyle \s parcial}$ ${\estilo de visualización N}$ ${\displaystyle \parcial T}$ Compresibilidad  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\estilo de visualización 1}$ ${\displaystyle \V parcial}$ ${\estilo de visualización V}$ ${\displaystyle \p parcial}$ Expansión térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\estilo de visualización 1}$ ${\displaystyle \V parcial}$ ${\estilo de visualización V}$ ${\displaystyle \parcial T}$
Ecuaciones Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Relaciones recíprocas de Onsager Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía libre Entropía libre Energía interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpía ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energía libre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energía libre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
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El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico idealizado que describe el proceso mediante el cual ciertas máquinas térmicas , como las turbinas de vapor o las máquinas de vapor reciprocantes, permiten extraer trabajo mecánico de un fluido a medida que se mueve entre una fuente de calor y un sumidero de calor . El ciclo Rankine recibe su nombre de William John Macquorn Rankine , un profesor erudito escocés de la Universidad de Glasgow .

La energía térmica se suministra al sistema a través de una caldera donde el fluido de trabajo (normalmente agua) se convierte a un estado gaseoso a alta presión (vapor) para hacer girar una turbina . Después de pasar por la turbina, se permite que el fluido se condense de nuevo a un estado líquido a medida que se rechaza la energía térmica residual antes de regresar a la caldera, completando el ciclo. Las pérdidas por fricción en todo el sistema a menudo se descuidan con el fin de simplificar los cálculos, ya que dichas pérdidas suelen ser mucho menos significativas que las pérdidas termodinámicas, especialmente en sistemas más grandes.

El ciclo de Rankine describe de forma precisa el proceso mediante el cual las máquinas de vapor que se encuentran comúnmente en las plantas de generación de energía térmica aprovechan la energía térmica de un combustible u otra fuente de calor para generar electricidad. Las posibles fuentes de calor incluyen la combustión de combustibles fósiles como el carbón , el gas natural y el petróleo , el uso de recursos extraídos para la fisión nuclear , combustibles renovables como la biomasa y el etanol , y la captura de energía de fuentes naturales como la energía solar concentrada y la energía geotérmica . Los disipadores de calor comunes incluyen el aire ambiente sobre o alrededor de una instalación y cuerpos de agua como ríos, estanques y océanos.

La capacidad de un motor Rankine para aprovechar la energía depende de la diferencia de temperatura relativa entre la fuente de calor y el disipador de calor. Cuanto mayor sea la diferencia, más potencia mecánica se puede extraer de manera eficiente de la energía térmica, según el teorema de Carnot .

La eficiencia del ciclo Rankine está limitada por el alto calor de vaporización del fluido de trabajo. A menos que la presión y la temperatura alcancen niveles supercríticos en la caldera, el rango de temperatura en el que puede operar el ciclo es bastante pequeño. A partir de 2022, la mayoría de las plantas de energía supercríticas adoptan una presión de entrada de vapor de 24,1 MPa y una temperatura de entrada entre 538 °C y 566 °C, lo que da como resultado una eficiencia de la planta del 40%. Sin embargo, si la presión se aumenta aún más a 31 MPa, la planta de energía se denomina ultrasupercrítica y se puede aumentar la temperatura de entrada de vapor a 600 °C, logrando así una eficiencia térmica del 42%. ^[1] Esta baja temperatura de entrada a la turbina de vapor (en comparación con una turbina de gas ) es la razón por la que el ciclo Rankine (vapor) se usa a menudo como un ciclo de fondo ^{[ aclaración necesaria ]} para recuperar el calor que de otro modo se rechazaría en las centrales eléctricas de turbinas de gas de ciclo combinado . La idea es que los productos de combustión muy calientes se expandan primero en una turbina de gas, y luego los gases de escape, que todavía están relativamente calientes, se utilicen como fuente de calor para el ciclo Rankine, reduciendo así la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el fluido de trabajo y, por lo tanto, reduciendo la cantidad de entropía generada por la irreversibilidad.

Los motores Rankine generalmente funcionan en un circuito cerrado en el que se reutiliza el fluido de trabajo. El vapor de agua con gotitas condensadas que a menudo se ve salir de las centrales eléctricas es creado por los sistemas de refrigeración (no directamente por el ciclo de potencia Rankine de circuito cerrado). Este calor de "escape" está representado por el "Q _out " que fluye hacia afuera del lado inferior del ciclo que se muestra en el diagrama T–s a continuación. Las torres de refrigeración funcionan como grandes intercambiadores de calor al absorber el calor latente de vaporización del fluido de trabajo y, al mismo tiempo, evaporar el agua de refrigeración a la atmósfera.

Aunque se pueden utilizar muchas sustancias como fluido de trabajo, el agua suele elegirse por su química sencilla, abundancia relativa, bajo coste y propiedades termodinámicas . Al condensar el vapor de trabajo en un líquido, se reduce la presión en la salida de la turbina y la energía requerida por la bomba de alimentación consume solo entre el 1% y el 3% de la potencia de salida de la turbina. Estos factores contribuyen a una mayor eficiencia del ciclo. El beneficio de esto se compensa con las bajas temperaturas del vapor admitido en la(s) turbina(s). Las turbinas de gas , por ejemplo, tienen temperaturas de entrada a la turbina que se acercan a los 1500 °C. Sin embargo, las eficiencias térmicas de las grandes centrales eléctricas de vapor reales y las grandes centrales modernas de turbinas de gas son similares.

Hay cuatro procesos en el ciclo de Rankine. Los estados se identifican mediante números (en marrón) en el diagrama T–s .

En un ciclo Rankine ideal, la bomba y la turbina serían isentrópicas: es decir, la bomba y la turbina no generarían entropía y, por lo tanto, maximizarían la salida de trabajo neto. Los procesos 1-2 y 3-4 se representarían mediante líneas verticales en el diagrama T-s y se asemejarían más al del ciclo de Carnot . El ciclo Rankine que se muestra aquí evita que el estado del fluido de trabajo termine en la región de vapor sobrecalentado después de la expansión en la turbina, ^[1] lo que reduce la energía eliminada por los condensadores.

El ciclo de potencia de vapor real difiere del ciclo Rankine ideal debido a las irreversibilidades en los componentes inherentes causadas por la fricción del fluido y la pérdida de calor hacia el entorno; la fricción del fluido causa caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre los componentes y, como resultado, el vapor sale de la caldera a una presión más baja; la pérdida de calor reduce la salida de trabajo neto, por lo tanto, se requiere la adición de calor al vapor en la caldera para mantener el mismo nivel de salida de trabajo neto.

${\displaystyle {\dot {Q}}}$	Tasa de flujo de calor hacia o desde el sistema (energía por unidad de tiempo)
${\displaystyle {\dot {m}}}$	Caudal másico (masa por unidad de tiempo)
${\displaystyle {\dot {W}}}$	Potencia mecánica consumida por el sistema o suministrada al mismo (energía por unidad de tiempo)
${\displaystyle \eta _{\text{therm}}}$	Eficiencia termodinámica del proceso (potencia neta de salida por calor aportado, adimensional)
${\displaystyle \eta _{\text{pump}},\eta _{\text{turb}}}$	Eficiencia isentrópica de los procesos de compresión (bomba de alimentación) y expansión (turbina), adimensional
${\displaystyle h_{1},h_{2},h_{3},h_{4}}$	Las " entalpías específicas " en los puntos indicados en el diagrama T–s
${\displaystyle h_{4s}}$	La " entalpía específica " final del fluido si la turbina fuera isentrópica
${\displaystyle p_{1},p_{2}}$	Las presiones antes y después del proceso de compresión.

${\displaystyle \eta _{\text{therm}}}$define la eficiencia termodinámica del ciclo como la relación entre la potencia neta de salida y el calor de entrada. Como el trabajo requerido por la bomba suele ser de alrededor del 1% del trabajo de salida de la turbina, se puede simplificar:

${\displaystyle \eta _{\text{therm}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}-{\dot {W}}_{\text{pump}}}{{\dot {Q}}_{\text{in}}}}\approx {\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}}{{\dot {Q}}_{\text{in}}}}}$

Cada una de las siguientes cuatro ecuaciones ^[1] se deriva del balance de energía y masa para un volumen de control.

${\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{in}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{2},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{out}}}{\dot {m}}}=h_{4}-h_{1},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{pump}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}.}$

Al tratar las eficiencias de las turbinas y bombas, se debe realizar un ajuste en los términos de trabajo:

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{pump}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1}\approx {\frac {v_{1}\Delta p}{\eta _{\text{pump}}}}={\frac {v_{1}(p_{2}-p_{1})}{\eta _{\text{pump}}}},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}\approx (h_{3}-h_{4})\eta _{\text{turbine}}.}$

En un ciclo real de una central eléctrica (el nombre de ciclo "Rankine" se utiliza sólo para el ciclo ideal), la compresión de la bomba y la expansión de la turbina no son isentrópicas. En otras palabras, estos procesos no son reversibles y la entropía aumenta durante los dos procesos. Esto aumenta un poco la potencia requerida por la bomba y disminuye la potencia generada por la turbina. ^[2]

En particular, la eficiencia de la turbina de vapor estará limitada por la formación de gotas de agua. A medida que el agua se condensa, las gotas de agua golpean las aspas de la turbina a alta velocidad, lo que provoca picaduras y erosión, lo que disminuye gradualmente la vida útil de las aspas de la turbina y la eficiencia de la turbina. La forma más fácil de superar este problema es sobrecalentando el vapor. En el diagrama T-s anterior, el estado 3 está en el límite de la región de dos fases de vapor y agua, por lo que después de la expansión, el vapor estará muy húmedo. Al sobrecalentar, el estado 3 se moverá hacia la derecha (y hacia arriba) en el diagrama y, por lo tanto, producirá un vapor más seco después de la expansión.

La eficiencia termodinámica general se puede aumentar aumentando la temperatura media de entrada de calor.

${\displaystyle {\bar {T}}_{\text{in}}={\frac {\int _{2}^{3}T\,dQ}{Q_{\text{in}}}}}$

de ese ciclo. Aumentar la temperatura del vapor en la región de sobrecalentamiento es una forma sencilla de hacerlo. También existen variaciones del ciclo Rankine básico diseñadas para aumentar la eficiencia térmica del ciclo de esta manera; dos de ellas se describen a continuación.

El propósito de un ciclo de recalentamiento es eliminar la humedad transportada por el vapor en las etapas finales del proceso de expansión. En esta variación, dos turbinas funcionan en serie. La primera acepta vapor de la caldera a alta presión. Después de que el vapor ha pasado por la primera turbina, vuelve a ingresar a la caldera y se recalienta antes de pasar por una segunda turbina de menor presión. Las temperaturas de recalentamiento son muy cercanas o iguales a las temperaturas de entrada, mientras que la presión de recalentamiento óptima necesaria es solo una cuarta parte de la presión original de la caldera. Entre otras ventajas, esto evita que el vapor se condense durante su expansión y, por lo tanto, reduce el daño en las aspas de la turbina, y mejora la eficiencia del ciclo, porque una mayor parte del flujo de calor hacia el ciclo ocurre a mayor temperatura. El ciclo de recalentamiento se introdujo por primera vez en la década de 1920, pero no estuvo operativo durante mucho tiempo debido a dificultades técnicas. En la década de 1940, se reintrodujo con la creciente fabricación de calderas de alta presión y, finalmente, se introdujo el recalentamiento doble en la década de 1950. La idea detrás del doble recalentamiento es aumentar la temperatura promedio. Se observó que más de dos etapas de recalentamiento son generalmente innecesarias, ya que la siguiente etapa aumenta la eficiencia del ciclo solo la mitad que la etapa anterior. Hoy en día, el doble recalentamiento se usa comúnmente en plantas de energía que operan bajo presión supercrítica.

El ciclo regenerativo Rankine se llama así porque después de salir del condensador (posiblemente como un líquido subenfriado ), el fluido de trabajo se calienta con vapor extraído de la parte caliente del ciclo. En el diagrama que se muestra, el fluido en 2 se mezcla con el fluido en 4 (ambos a la misma presión) para terminar con el líquido saturado en 7. Esto se llama "calentamiento por contacto directo". El ciclo regenerativo Rankine (con variantes menores) se usa comúnmente en centrales eléctricas reales.

Otra variante envía vapor de purga entre las etapas de la turbina a los calentadores de agua de alimentación para precalentar el agua en su camino desde el condensador hasta la caldera. Estos calentadores no mezclan el vapor de entrada y el condensado, funcionan como un intercambiador de calor tubular común y se denominan "calentadores de agua de alimentación cerrados".

La regeneración aumenta la temperatura de entrada de calor del ciclo al eliminar la adición de calor de la caldera/fuente de combustible a las temperaturas relativamente bajas del agua de alimentación que existirían sin el calentamiento regenerativo del agua de alimentación. Esto mejora la eficiencia del ciclo, ya que una mayor parte del flujo de calor hacia el ciclo se produce a una temperatura más alta.

El ciclo orgánico de Rankine (ORC) utiliza un fluido orgánico como n-pentano ^[3] o tolueno ^[4] en lugar de agua y vapor. Esto permite el uso de fuentes de calor de menor temperatura, como estanques solares , que normalmente funcionan a alrededor de 70 – 90 °C. ^[5] La eficiencia del ciclo es mucho menor como resultado del rango de temperatura más bajo, pero esto puede valer la pena debido al menor costo involucrado en la recolección de calor a esta temperatura más baja. Alternativamente, se pueden utilizar fluidos que tengan puntos de ebullición por encima del agua, y esto puede tener beneficios termodinámicos (ver, por ejemplo, turbina de vapor de mercurio ). Las propiedades del fluido de trabajo real tienen una gran influencia en la calidad del vapor (vapor) después del paso de expansión, lo que influye en el diseño de todo el ciclo.

El ciclo Rankine no restringe el fluido de trabajo en su definición, por lo que el nombre "ciclo orgánico" es simplemente un concepto de marketing y el ciclo no debe considerarse como un ciclo termodinámico separado.

El ciclo Rankine aplicado mediante un fluido supercrítico ^[6] combina los conceptos de regeneración térmica y ciclo Rankine supercrítico en un proceso unificado denominado ciclo supercrítico regenerativo (RGSC). Está optimizado para fuentes de temperatura de entre 125 y 450 °C.

• Ciclo de Brayton
• Pérdida de potencia en modo de cogeneración con extracción de vapor

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Ciclo de Rankine .

• ^ Van Wyllen 'Fundamentos de la termodinámica' ( ISBN 85-212-0327-6 ) 
• ^ Wong 'Termodinámica para ingenieros', 2.ª edición, 2012, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, Londres, Nueva York. ( ISBN 978-1-4398-4559-2 ) 
• Moran y Shapiro 'Fundamentos de termodinámica en ingeniería' ( ISBN 0-471-27471-2 ) 
• Wikilibros Ingeniería Termodinámica