CICLO RANKINE

Ciclo termodinámico que tiene como objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo 

de la misma forma lo que se denomina un ciclo de potencia (sistemas cíclicos que producen una cantidad neta positiva de trabajo).

El ciclo Rankine es una modificación del ciclo Carnot (idealización de un ciclo completamente reversible), esto con el fin de mejorar el sistema térmico.

No podemos inmiscuirnos más en este grandioso tema sin antes conocer parte de la historia de este hecho trascendental, de la termodinámica para el mundo: William John Macquorn Rankine, ingeniero y físico escocés fue el creador del ciclo que lleva su apellido Rankine, junto con los avances de RudolfClausius y William Thomson mejor conocido como“Lord Kelvin” quien fue uno de los pioneros de la termodinámica, enfocándose particularmente en la primera de las tres leyes de esta rama de la Física en particular.

En 1849 este caballero, logró hallar la relación entre la presión de vapor saturado y la temperatura. Al año siguiente utilizó su teoría para establecer relaciones entre temperatura, presión y densidad de los gases. Predijo con precisión el sorprendente hecho de que el calor específico aparente del vapor saturado sería negativo. 

Una vez alentado por su éxito y tratar de satisfacer sus ganas por crear un motor térmico que se lleve a cabo a través de diferentes procesos termodinámicos lo conllevaron a establecer diferentes elementos básicos y mejoras interviniéndolo con otros ciclos para un mejor rendimiento y ahorro de trabajo en el motor, de esta manera se implementó el ciclo Rankine para satisfacer tal necesidad.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.

Las etapas del proceso son las siguientes: 

En la transformación 1-2: Aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo.

En la transformación 2-3: Se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo.

La transformación 3-4:Expansión adiabática del vapor saturado en la turbina, con generación de potencia. La temperatura y la presión bajan y aparece condensación. (Enfriamiento sensible Tc®Tf y de cambio de fase por condensación).

La transformación 4-1:Consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

EQUIPOS QUE INTERVIENEN EN EL CICLO

Caldera: Es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturado. En pocas palabras la caldera es todo aparato de presión donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

Turbina:Se denomina turbina al motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Condensador:Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor se produce una cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento con otro medio.

Bomba: Una bomba de calor es una máquina que transfiere energía térmica desde una fuente fría de bajo nivel térmico o baja temperatura a otra más caliente de nivel térmico más alto o de mayor temperatura. Para lograrlo es necesario un aporte de trabajo, pues de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor se dirige de manera espontánea de una fuente caliente a otra fría, hasta que sus temperaturas se igualen.

MEJORAS DEL PROCESO

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 alabes de la turbina.

2. 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. 

3. 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. 

Representación esquematizada del ciclo Rankine.

Ciclo Rankine diagrama T-S (temperatura-entropía o Diagrama Entrópico).