Ciclo Rankine. La conversión de calor en trabajo y sus usos
El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico compuesto por dos transformaciones isoentrópicas y dos isobaras. Su propósito es transformar el calor en trabajo utilizando un intercambiador de calor. Es la base del diseño de máquinas de vapor de cualquier tipo.
En un proceso isentrópico la entropía del sistema permanece constante mientras que en un proceso isobárico lo que se mantiene constante es la presión.
El ciclo de Rankine puede ser:
Ciclo de Rankine abierto, con la descarga de vapor a la atmósfera (como por ejemplo, las viejas locomotoras de vapor).
Ciclo de Rankine cerrado, como en el caso de las centrales termoeléctricas. En los ciclos cerrados se puede aprovechar el calor residual de la condensación de vapor mediante la cogeneración.
¿Cómo funciona el ciclo de Rankine?
El ciclo de Rankine funciona con cuatro procesos termodinámicos. Los estados se identifican por números (en marrón) en el diagrama T – S (temperatura – entropía.)
Proceso 1-2: compresión isentrópica en la bomba. El fluido de trabajo se bombea de baja a alta presión. Como el fluido es un líquido en esta etapa, la bomba requiere poca energía de entrada.
Proceso 2-3: adición de calor a presión constante en la caldera. El líquido de alta presión ingresa a una caldera, donde se calienta a presión constante mediante un proceso isobárico por una fuente de calor externa para convertirse en un vapor seco saturado. En esta fase se realiza un cambio de fase del agua de líquido a gas.
Proceso 3-4: expansión isentrópica en turbina. El vapor seco saturado se expande a través de una turbina de vapor, generando energía. Desde un punto de vista termodinámico, esto disminuye la temperatura y la presión del vapor, y puede ocurrir algo de condensación.
Proceso 4-1: rechazo de calor a presión constante en el condensador, proceso isobárico. El vapor húmedo ingresa a un condensador, donde se condensa a una presión constante para convertirse en un líquido saturado.
En un ciclo ideal de Rankine, la bomba y la turbina serían isentrópicas. Es decir, la bomba y la turbina no generarían entropía y, por lo tanto, maximizará la producción neta de trabajo. Los procesos 1-2 y 3-4 estarían representados por líneas verticales en el diagrama T-S y se parecerían más al del ciclo de Carnot.
El ciclo de 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 de vapor. En este caso, se reduce la energía eliminada por los condensadores.
El ciclo de energía de vapor real difiere del ciclo de Rankine ideal debido a las irreversibilidades causadas por la fricción del fluido y la pérdida de calor en los alrededores. La fricción del fluido provoca caídas de presión durante el circuito del fluido. A su vez, la pérdida de calor reduce la producción neta de trabajo y requiere la adición de calor al vapor.
¿Para qué se utiliza el ciclo Rankine?
El ciclo describe el funcionamiento de máquinas térmicas en centrales térmicas. Las fuentes de calor habituales de estas plantas son los combustibles fósiles, energía solar o combustible nuclear.
Aunque un ciclo de Rankine puede funcionar con diversas sustancias, el agua se suele utilizar debido a varias propiedades favorables. Estas plantas utilizan agua como fluido motor, ya sea en forma líquida o en forma de vapor o gas, con el llamado turbina de vapor.
Las temperaturas relativamente bajas en el ciclo Rankine hacen que este ciclo se utilice como un ciclo de baja temperatura en centrales térmicas que operan después de un ciclo combinado de vapor y gas .
Por otro lado, está cayendo rápidamente en desuso en el campo de la tracción ferroviaria y la propulsión marina, suplantado por el motor Diesel y el motor eléctrico.
