El ciclo de Rankine es un proceso termodinámico fundamental con dos fases de compresión y dos de expansión. Su objetivo principal es convertir calor en trabajo utilizando un intercambiador de calor. Este ciclo es esencial para el diseño de máquinas de vapor, siendo la piedra angular de la mayoría de las plantas de energía eléctrica, especialmente en las que usan combustibles fósiles y energía nuclear.
En términos sencillos, el ciclo de Rankine se basa en dos tipos de transformaciones: isoentrópicas (donde la entropía se mantiene constante) y isobáricas (donde la presión permanece constante). Puedes encontrar este ciclo en dos variantes: abierto, donde el vapor se libera a la atmósfera (como en las antiguas locomotoras de vapor), y cerrado, como en las centrales termoeléctricas, donde se puede aprovechar el calor residual mediante la cogeneración.
Funcionamiento del ciclo paso a paso
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.
Usos y aplicaciones del 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.
