Maquinas Termicas

Tema de investigación:

El ciclo de Rankine (Fig. 8.2) es el ciclo ideal que a su vez es un subsistema del funcionamiento de las centrales térmicas (Fig 8.1), las cuales, producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos de combustible.

Componentes del ciclo ideal Rankine.

Turbina:

El vapor de la caldera en el estado 1, con elevada temperatura y presión, se expande en la turbina para producir trabajo y despues es descargado en el condensador en el estado 2 con una presión relativamente baja. Despreciando la transferencia de calor con los alrededores, los balances de masa y energia para la turbina son:

Condensador:

En el condensador hay una transferencia de calor del vapor al flujo de agua de enfriamiento sin que se mezclen. El vapor se condensa y la temperatura del agua de enfriamiento incrementa. En estado estacionario, los balances de masa y energia para el condensador son:

Bomba:

El liquido condensado a la salida del condensador en el punto 3 es bombeado del condensador hacia la caldera de alta presión. Tomando un volumen de control alededor de la bomba y asumiendo que no hay transferencia de calor en los alrededores, los balances de masa y energia para la bomba son:

Caldera:

El fluido de trabajo completa el ciclo cuando el liquido deja la bomba en 4, se le llama agua de alimentacion de la caldera. Esta es calentada hasta la saturación y evaporada en la caldera. Tomando un volumen de control alrededor de la caldera, los balances de masa y energia para la caldera son:

El diagrama T-S para el ciclo Rankine ideal es:

Podemos observar que el fluido de trabajo pasa a través de los siguientes procesos internamente reversibles:

Proceso 1-2: Expansión isentrópica del fluido de trabajo a través de la turbina de vapor saturado en el estado 1 a la presión del condensador.

Proceso 2-3: Transferencia de calor del fluido de trabajo a presión constante a través del condensador para llegar a líquido saturado en el estado 3.

Proceso 3-4: Compresión isentrópica en la bomba hacia el estado 4 en la región de líquido comprimido.

Proceso 4-1: Transferencia de calor al fluido de trabajo mientras fluye a través de la caldera a presión constante para completar el ciclo.

En un diagrama p-V, el ciclo se describe como sigue (los puntos termodinámicos están indicados con pequeñas cruces, cerca del número correspondiente): En (1) la caldera entrega vapor saturado (por lo tanto con título x=1), el que se transporta a la turbina. Allí el vapor se expande entre la presión de la caldera y la presión del condensador, produciendo el trabajo W. La turbina descarga el vapor en el estado (2). Este es vapor con título x<1 y el vapor es admitido al condensador. Aquí se condensa a presión y temperatura constante, evolución (2)-(3), y del condensador se extrae líquido condensado con título x=0, en el estado (3). Luego la bomba aumenta la presión del condensado de pcond a pcald , evolución (3)-(4) y reinyecta el condensado en la caldera.

Por lo tanto la máquina opera entre la presión pcald y pcond, las que tienen asociadas la temperatura de ebullición del vapor en la caldera y la temperatura de condensación del agua en el condensador. Esta última presión es inferior a la presión atmosférica.

Ciclo Rankine con Recalentamiento

La eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador. Un ciclo ideal con recalentamiento, y su correspondiente diagrama temperatura-entropía aparece en la siguiente figura. Obsérvese en esta figura que el ciclo Rankine con sobrecalentamiento solamente, sería más eficiente que el ciclo con recalentamiento, si en el primero fuera posible calentar el vapor hasta el estado 1' sin incurrir en problemas de materiales.

El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podríamos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la practica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequeña.

Ciclo Rankine ideal con recalentamiento

Ciclo Rankine con Regeneración.

La eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se añade calor distinto al de la temperatura más alta. Este defecto se puede compensar usando un ciclo regenerativo. A continuación se presentan dos métodos, aunque el primero es muy impractico. En la figura A el liquido se bombea hacia unos serpentines en la turbina para lograr una transmisión de calor. Así, podemos decir que el fluido sufre un incremento de temperatura reversible de a hasta b, mientras que se expande y enfría reversiblemente desde d hasta e. La eficiencia térmica de este ciclo regenerativo es igual a la del ciclo de Carnot. La prueba es que en el ciclo existen tres condiciones:

El calor es añadido al ciclo a una temperatura constante TA

El calor es rechazado del ciclo a otra temperatura constante TB.

Todos los procesos son, o los consideramos, reversibles.

Ahora,

...