Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Ciclo de Rankine

Ciclo de Rankine

El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico compuesto por dos transformaciones isoentrópicas y dos isobaras. Su propósito es transformar el calor en trabajo. Es la base del diseño de máquinas de vapor de cualquier tipo.

Este ciclo es generalmente adoptado principalmente en centrales termoeléctricas para la producción de energía eléctrica y utiliza agua como fluido motor, ya sea en forma líquida o en forma de vapor o gas, con el llamado turbina de vapor. Para este uso, el agua se desmineraliza y desgasifica adecuadamente.

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. En cambio, sigue siendo indispensable para los equipos de motores nucleares (centrales eléctricas, submarinos y portaaviones).

El ciclo de Rankine puede ser:

Ciclo de Rankine abierto, es decir, con la descarga de vapor a la atmósfera (como era el caso de las viejas locomotoras de vapor, que tenían que transportar, además del carbón, también agua).

Ciclo de Rankine cerrado, como en el caso de las centrales termoeléctricas, incluidas las centrales de ciclo combinado. Es posible explotar el calor residual de la condensación de vapor (cogeneración), incluso transportándolo a través de una red de calefacción urbana.

Los cuatro procesos en el ciclo de Rankine

diagrama temperatura entropía del ciclo de Rankine

Hay cuatro procesos termodinámicos en el ciclo de Rankine. Los estados se identifican por números (en marrón) en el diagrama T – S (temperaturaentropía.)

Proceso 1–2: 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.

En otras palabras, el Proceso 1-2 implica compresión isentrópica en la bomba, proceso isentrópico.

Proceso 2–3: 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. La energía de entrada requerida puede calcularse fácilmente gráficamente, utilizando un gráfico de entalpía - entropía (gráfico h-s o diagrama de Mollier), o numéricamente, utilizando tablas de vapor.

En otras palabras, el Proceso 2-3 es adición de calor a presión constante en la caldera, proceso isobárico.

Proceso 3–4: 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. La salida en este proceso se puede calcular fácilmente utilizando el gráfico o las tablas indicadas anteriormente.

En otras palabras, el Proceso 3-4 es expansión isentrópica en turbina, proceso isentrópico.

Proceso 4–1: el vapor húmedo ingresa a un condensador, donde se condensa a una presión constante para convertirse en un líquido saturado.

En otras palabras, el Proceso 4-1 es rechazo de calor a presión constante en el condensador, proceso isobárico.

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, maximizarían 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, lo que reduce la energía eliminada por los condensadores.

El ciclo de energía de vapor real difiere del ciclo de Rankine ideal debido a las irreversibilidades en los componentes inherentes causadas por la fricción del fluido y la pérdida de calor en los alrededores; la fricción del fluido provoca caídas de presión en la caldera, el condensador y la tubería entre los componentes, y como resultado el vapor sale de la caldera a una presión más baja; la pérdida de calor reduce la producción neta de trabajo, por lo tanto, se requiere la adición de calor al vapor en la caldera para mantener el mismo nivel de producción neta de trabajo.

Ciclo orgánico de Rankin

Un ciclo orgánico de Rankin u ORC es un proceso Rankin con un solvente orgánico como propano, isobutano, isopentano o amoníaco en lugar de vapor. A menudo se usa una turbina para esto. Debido a que un solvente orgánico tiene un punto de ebullición más bajo que el agua, el ciclo orgánico de Rankin permite extraer energía desde una temperatura más baja hasta 100 ° C. Por lo tanto, este ciclo es particularmente adecuado para utilizar calor residual.

Principio de funcionamiento del ciclo orgánico de Rankin

El principio operativo del ciclo orgánico de Rankin es el mismo que el del ciclo Rankin: el fluido de trabajo se bombea a una caldera donde se evapora, pasa a través de un dispositivo de expansión (turbina u otro expansor), y luego a través de un intercambiador de calor del condensador donde finalmente se condensa de nuevo. En el ciclo ideal descrito modelo teórico del motor, la expansión isentrópica y los procesos termodinámicos de evaporación y condensación isobárica. En un ciclo real, la presencia de irreversibilidad reduce la eficiencia del ciclo. Estas irreversibilidades ocurren principalmente durante la expansión y en los intercambiadores de calor.

Irreversibilidades durante la expansión: entonces solo se obtiene una parte de la energía y la diferencia de presión se convierte en trabajo útil. La otra parte se convierte en calor y se pierde. La eficiencia del expansor se determina por comparación con una expansión mediante un proceso isentrópico.

Irreversibilidades en los intercambiadores de calor: el líquido toma un camino largo y sinuoso que garantiza un buen intercambio de energía térmica, pero asegura que la presión caiga, lo que resulta en una menor cantidad de energía en el ciclo. La diferencia de temperatura entre la fuente de calor / sumidero y el fluido de trabajo también genera exergía y reduce los tiempos de ciclo.

En el caso de un "fluido seco", el ciclo orgánico de Rankin puede mejorarse usando un regenerador porque el fluido no alcanza el estado bifásico al final de la expansión, la temperatura en este punto será más alta que la temperatura de condensación. Esta temperatura más alta se puede usar para calentar el líquido antes de que ingrese al evaporador. Por lo tanto, se monta un intercambiador de calor de contraflujo entre la salida del expansor y la entrada del evaporador. La potencia requerida de la fuente de calor se reduce a la mitad y se aumenta la eficiencia.

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Última revisión: 27 de agosto de 2019