Ciclos Termico

Ciclos Termodinámicos

CICLO BÁSICO DE RANKINE

Es un ciclo que tendrá mejor relación de trabajo que el de Carnot, puesto que en él se bombea agua líquida hacia la caldera, comprimiéndose líquido en lugar de vapor húmedo entre las mismas presiones, es decir desde la presión en el condensador hasta la presión en la caldera. El esquema de la instalación es el indicado en la figura.

Las diferencias con el ciclo de Carnot son:

1) Del condensador se retira líquido saturado en lugar de vapor húmedo.

2) Mediante una bomba el líquido saturado que sale del condensador se le incrementa la presión y se lo introduce en la caldera.

En el diagrama 3 se ha representado este ciclo. El estado 4, líquido que sale del condensador y el estado 1, líquido que penetra en la caldera, difieren únicamente en la presión y no en la temperatura. La bomba que impulsa el agua liquida, prácticamente no le modifica la temperatura. Dado que en el diagrama entrópico la temperatura T2 está alejada de la temperatura crítica del agua, no se puede apreciar la diferencia de entropía debido a la diferencia de presiones, los puntos representativos de los estados 4 y 1 aparecerán superpuestos.

El agua que penetra a la caldera estará a la temperatura T2, por lo que en este equipo deberán producirse dos procesos: primero, calefacción del líquido hasta la temperatura de vaporización en la caldera T1 y luego, vaporización.

En consecuencia, la diferencia esencial entre el ciclo de Carnot y el de Rankine, es que mientras para describir reversiblemente el primero eran necesarias solo dos fuentes de calor, una a temperatura T1 y otra a temperatura T2, para el segundo serían necesarias infinitas fuentes de calor a todas las temperaturas intermedias entre T1 y T2, además de a las temperaturas T1 y T2.

Al ciclo de Rankine podemos considerarlo equivalente al de Carnot efectuado entre las mismas temperaturas extremas, representado por el rectángulo A en el diagrama 4, realizado juntamente con otro ciclo representado por la superficie triangular B.

El ciclo representado por la superficie triangular B, es equivalente a la realización de una serie de pequeños ciclos de Carnot, todos efectuados con la misma fuente fría a temperatura T2 y diferentes fuentes calientes a las temperaturas intermedias entre T1 y T2. Estos ciclos elementales de Carnot tendrán menor rendimiento térmico que el ciclo de Carnot básico realizado entre T1 y T2 ya que las temperaturas de sus fuentes calientes serán menores que T1 y en consecuencia el ciclo de Rankine va a tener un rendimiento menor que el de Carnot realizado entre las mismas temperaturas extremas, dado que es el resultado de agregar el sector B de menor rendimiento, al ciclo básico A.

Por lo cual, el ciclo de Rankine, aunque de menor rendimiento térmico que el de Carnot, realizado entre las mismas temperaturas extremas, resultara mas conveniente y será el adoptado para las instalaciones de vapor.

Veamos ahora como podrá aumentarse el rendimiento de un ciclo de Rankine. Es evidente que el rendimiento aumentará si se aumenta la temperatura de vaporización T1 y también si se disminuye la temperatura de condensación T2. De las dos alternativas, la más conveniente es tratar en primer lugar de disminuir T2. Si la atmósfera del lugar en que instalamos nuestra planta está a la temperatura T0 y T2 > T0, entonces el calor cedido en el condensador es en parte exergía que no se ha aprovechado para la obtención de trabajo útil (Diagrama 5). El área rayada representa la exergía contenida en el calor Q2, cedido en el condensador, que se destruirá al pasar dicho calor al elemento refrigerante del condensador. La conclusión es que hay que tratar que T2 disminuya acercándose al valor de la temperatura atmosférica T0. El ideal sería que coincidiera con T0. Para ello habrá que disminuir la presión en el condensador. Téngase presente que la temperatura de condensación T2 será la de equilibrio vapor líquido correspondiente a la presión que reine en el condensador. Si en el interior del condensador reinara la presión atmosférica normal, el vapor se condensaría a 100 ºC. En consecuencia habrá que hacer un vacío en el condenador para acercar T2 a T0. Nunca se podrá llegar a condensar a T0, dado que el vapor que se condensa debe ceder calor a un elemento refrigerante, que habitualmente será agua que se encontrará a temperatura atmosférica.

Llevada la temperatura T2 al mínimo posible, para seguir aumentando el rendimiento habrá que recurrir al aumento de T1, lo cual implica aumentar la presión de vaporización en la caldera, dado que T1 es la temperatura de equilibrio vapor - líquido correspondiente a la presión que reina en la caldera. En consecuencia, si pasamos a una presión de caldera mayor, la temperatura de vaporización pasara a T1´> T1.

En el diagrama 5, el proceso de vaporización concluirá en 2' en lugar de en 2 y la expansión en la turbina sería 2' - 3' en lugar de 2 - 3.

En un ciclo de Rankine en el que se alimenta la turbina con Vapor saturado seco, en la expansión se va transformando el vapor en vapor húmedo, es decir, en una mezcla de líquido y vapor. Al incrementar la presión de caldera, la expansión se desplaza más al interior de la zona heterogénea y el título del vapor al final de la expansión x´3, será menor que el título x3, lo cual significa que en el vapor húmedo se contendrá mayor proporción de líquido.

El hecho de ser vapor húmedo el que circula por la turbina, significa que en la corriente de fluido que atraviesa a la misma se encontrarían gotitas de agua líquida que provocaran una erosión mecánica de las paletas de la maquina. Por ello se debe tratar de lograr que el título del vapor en el escape de la turbina no sea inferior a un valor del orden de 86 a 88 %.

CICLO RANKINE CON VAPOR SOBRECALENTADO

Para lograr que el vapor que circula por la turbina no contenga humedad excesiva, se recurre a sobrecalentar el vapor antes de la entrada a la turbina.

Al vapor saturado que sale de la caldera propiamente dicha (estado 2, Diagrama 6), se lo sobrecalienta a presión constante hasta el estado 3. El proceso en la turbina es ahora 3 - 4, en gran parte en la región de vapor sobrecalentado, obteniéndose al final de la expansión (estado 4), un título elevado.

El esquema de la instalación para realizar este ciclo es el indicado en la figura.

Analicemos ahora que ha ocurrido con el rendimiento de la instalación, al introducir el sobrecalentamiento. Al sobrecalentar el vapor antes de su envío a la turbina, se habrán incrementado tanto el trabajo útil, como la cantidad de calor a suministrar al agua para describir el ciclo. En efecto, el trabajo que se obtendrá en la turbina será mayor, dado que ha aumentado la caída entálpica en ella, que será ahora h3 - h4, y en cuanto al calor que debe suministrarse se agrega el calor para el proceso de sobrecalentamiento.

En el diagrama entrópico podemos observar que el sobrecalentamiento implica agregar al ciclo la zona que hemos indicado como C (Diagrama 6), que es equivalente a una serie de ciclos de Carnot, todos efectuados con la misma temperatura de fuente fría T2, pero con temperaturas de fuente caliente superiores a T1 por lo tanto esta zona tendrá un rendimiento mayor que el ciclo de Carnot A realizado entre T1 y T2. En consecuencia el agregado de sobrecalentamiento produce un aumento del rendimiento. Es decir, que cuanto mayor sea la temperatura final de sobrecalentamiento mejor sería el rendimiento.

Pero existe una limitación en la temperatura final del sobrecalentamiento, dado por las propiedades de los materiales con que se construyen los sobrecalentadores. El sobrecalentador esta constituido por tubos por el interior de los cuales circula el vapor que se sobrecalienta y exteriormente circulan gases de combustión que transfieren calor al vapor. En consecuencia, la pared metálica del tubo se va a encontrar a una temperatura mayor que la máxima temperatura de sobrecalentamiento del vapor. La resistencia mecánica del tubo depende de la temperatura a que se encuentre, por tal razón con tubos de acero al carbono no puede superarse una temperatura final de sobrecalentamiento de 400 °C, para superarla debe recurrirse a tubos de acero al cromo molibdeno, con los que puede llegarse hasta 500 - 600 ºC

CICLO RANKINE DE RÉGIMEN SECO

El ciclo Rankine de régimen seco se diferencia del anterior en que la presión en la caldera y la temperatura de sobrecalentamiento se establecen de forma tal que, al producirse la expansión del vapor sobrecalentado en la turbina, hasta la presión y temperatura de condensación, se obtiene al final de esta expansión un vapor saturado seco. En el diagrama 7 se representa este ciclo. El líquido saturado a la salida de bomba, estado 1, se encuentra a la presión de trabajo de la caldera, pero a una temperatura sustancialmente menor que la de vaporización para esta presión, por lo que debe realizarse el calentamiento 1-2 hasta la temperatura de equilibrio T1, para luego producir el cambio de estado. Este calentamiento del líquido no se realiza directamente en la caldera sino que se emplea un intercambiador de calor adicional, llamado precalentador o economizador, que utiliza los gases de escape más fríos de la caldera como elemento calefactor, de forma de elevar la temperatura del líquido hasta la de equilibrio a la presión de la caldera.

Las etapas recorridas en el ciclo serán: 1-2: precalentamiento del líquido a presión constante en el economizador hasta T1; 2-3: vaporización en la caldera, a temperatura y presión constantes, del líquido

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