El ciclo rankine del motor
Objetivo
Estudiar el ciclo de Rankine , comprender por qué sirve de
base de funcionamiento de las centrales térmicas.
Estudiar su funcionamiento y tener conocimiento de este
para que nos sirva en nuestra futura carrera.
Alcance
Este es un trabajo de
investigación puesto que se está investigando el proceso del ciclo rankine y su
funcionamiento. Se desarrolló a raíz del interés que se tiene a dicho tema.
Justificación
Ayudarnos a
comprender exactamente el funcionamiento o ciclo de un motor como lo es el
ciclo Rankine y tener nuevas ideas y mejoramiento de dichos.
Marco teórico
El ciclo de Rankine es
un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo
lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de
potencia, su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de
un ciclo de carnot que operase
entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio
de la Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macqoum Rankine.
Proceso
El ciclo Rankine es
un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar
en una central de
vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa,
típicamente agua (si bien existen otros tipos de sustancias que pueden ser
utilizados, como en los ciclos Rankine orgánicos). 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 o regeneración del agua de alimentación a caldera.
Existen también
centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares),
en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores
cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de
centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales
fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan,
serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor convencional.
Diagrama T-s del ciclo
El diagrama T-s de un
ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos
isóbaricos. 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.
En las centrales
térmicas de gas se utiliza un ciclo "hermano" del ciclo Rankine
ideal: el ciclo Brayton ideal.
Este ciclo utiliza un fluido de trabajo que se mantiene en estado de gas
durante todo el ciclo (no hay condensación). Además utiliza un compresor en
lugar de una bomba (constructivamente suele ir solidariamente unida a la
turbina de gas en un eje común); por otro lado, el equipo donde se produce la
combustión no se denomina caldera sino cámara de combustión o combustor. Los
equipos utilizados en estas instalaciones son más compactos que los de las
centrales térmicas de vapor y utilizan como combustible habitual el gas
natural. Finalmente ambos tipos de ciclos se integran en las centrales térmicas
de ciclo combinado, donde el calor rechazado por el ciclo Brayton (en su configuración
más simple, aportado por los gases calientes de la combustión que abandonan la
turbina de gas) es utilizado para alimentar el ciclo Rankine (sustituyendo a la
caldera).
Variables
Q=Potencia térmica de entrada (energía por unidad de
tiempo)
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m=Caudal másico (masa por unidad de tiempo)
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W=Potencia mecánica suministrada o absorbida (energía
por unidad de tiempo)
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n=Rendimiento térmico del ciclo (relación entre la
potencia generada por el ciclo y la potencia térmica suministrada en la
caldera, adimensional)
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h1,h2,h3,h4=Entalpías específicas de los estados principales del
ciclo
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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 másicos 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 turbuna, llevando a condiciones de sobrecalentamiento mediante recalentadores (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.
Extracción de vapor
En esta variación se
introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elemento
consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se
mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura
intermedia. De las dos corrientes que entran al calentador una proviene de una
extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufre la expansión
total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una
bomba después del condensador para igualar la presión de la parte del vapor que
ha sufrido la expansión completa a la de la extracción. En esta variación del
ciclo de Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento
del rendimiento y una reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro
lado también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de
la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos
a la instalación una bomba más y un mezclador de flujos.
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