Ciclo Rankine

El ciclo Rankine es un ciclo termodinámico idealizado que describe el proceso mediante el cual ciertas máquinas térmicas , como las turbinas de vapor o las máquinas de vapor alternativas, permiten extraer trabajo mecánico de un fluido a medida que este se desplaza entre una fuente y un sumidero de calor . El ciclo Rankine recibe su nombre de William John Macquorn Rankine , un erudito escocés y profesor de la Universidad de Glasgow .

La energía térmica se suministra al sistema mediante una caldera donde el fluido de trabajo (normalmente agua) se convierte en vapor a alta presión para hacer girar una turbina . Tras pasar por la turbina, el fluido se condensa y vuelve a su estado líquido, disipando así el calor residual antes de regresar a la caldera, completando así el ciclo. Las pérdidas por fricción en todo el sistema suelen despreciarse para simplificar los cálculos, ya que son mucho menos significativas que las pérdidas termodinámicas, especialmente en sistemas de mayor tamaño.

El ciclo Rankine describe con precisión el proceso mediante el cual las máquinas de vapor, comunes en las centrales termoeléctricas, aprovechan la energía térmica de un combustible u otra fuente de calor para generar electricidad . Entre las posibles fuentes de calor se incluyen la combustión de combustibles fósiles como el carbón , el gas natural y el petróleo ; el uso de recursos mineros para la fisión nuclear ; combustibles renovables como la biomasa y el etanol ; y la captación de energía de fuentes naturales como la energía solar concentrada y la energía geotérmica . Los disipadores de calor más comunes son el aire ambiente que se encuentra sobre o alrededor de una instalación y las masas de agua como ríos, estanques y océanos.

La capacidad de un motor Rankine para aprovechar la energía depende de la diferencia de temperatura relativa entre la fuente de calor y el disipador de calor. Cuanto mayor sea la diferencia, mayor será la potencia mecánica que se puede extraer de la energía térmica de forma eficiente, según el teorema de Carnot .

La eficiencia del ciclo Rankine está limitada por el alto calor de vaporización del fluido de trabajo. A menos que la presión y la temperatura alcancen niveles supercríticos en la caldera, el rango de temperatura en el que el ciclo puede operar es bastante pequeño. A partir de 2022, la mayoría de las centrales eléctricas supercríticas adoptan una presión de entrada de vapor de 24,1 MPa y una temperatura de entrada entre 538  °C y 566  °C, lo que resulta en una eficiencia de la planta del 40 %. Sin embargo, si la presión se incrementa aún más a 31 MPa, la central eléctrica se denomina ultrasupercrítica, y se puede aumentar la temperatura de entrada de vapor a 600  °C, logrando así una eficiencia térmica del 42 %. ^{[ 1 ]} Esta baja temperatura de entrada de la turbina de vapor (en comparación con una turbina de gas ) es la razón por la que el ciclo Rankine (de vapor) se utiliza a menudo como ciclo de fondo para recuperar el calor que de otro modo se desperdiciaría en las centrales eléctricas de turbina de gas de ciclo combinado . La idea es que los productos de combustión muy calientes se expandan primero en una turbina de gas, y luego los gases de escape, que aún están relativamente calientes, se utilicen como fuente de calor para el ciclo Rankine, reduciendo así la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el fluido de trabajo y, por lo tanto, reduciendo la cantidad de entropía generada por la irreversibilidad.

Los motores Rankine generalmente operan en un circuito cerrado donde se reutiliza el fluido de trabajo. El vapor de agua con gotas condensadas que a menudo se observa saliendo de las centrales eléctricas se genera en los sistemas de refrigeración (no directamente en el ciclo Rankine de circuito cerrado). Este calor residual está representado por el flujo de salida (Q _out ) que sale de la parte inferior del ciclo, como se muestra en el diagrama T-s a continuación. Las torres de refrigeración funcionan como grandes intercambiadores de calor, absorbiendo el calor latente de vaporización del fluido de trabajo y evaporando simultáneamente el agua de refrigeración a la atmósfera.

Si bien se pueden utilizar diversas sustancias como fluido de trabajo, el agua suele elegirse por su química simple, su relativa abundancia, su bajo costo y sus propiedades termodinámicas . Al condensar el vapor de trabajo a líquido, se reduce la presión a la salida de la turbina y la energía requerida por la bomba de alimentación consume solo entre el 1 % y el 3 % de la potencia de salida de la turbina. Estos factores contribuyen a una mayor eficiencia del ciclo. Esta ventaja se ve contrarrestada por las bajas temperaturas del vapor que ingresa a la(s) turbina(s). Las turbinas de gas , por ejemplo, alcanzan temperaturas de entrada cercanas a los 1500  °C. Sin embargo, las eficiencias térmicas de las grandes centrales termoeléctricas de vapor y las grandes centrales de turbinas de gas modernas son similares.

Hay cuatro procesos en el ciclo de Rankine. Los estados se identifican mediante números (en marrón) en el diagrama T–s .

En un ciclo Rankine ideal, la bomba y la turbina serían isoentrópicas: es decir, no generarían entropía y, por lo tanto, maximizarían el trabajo neto producido. Los procesos 1-2 y 3-4 estarían representados por líneas verticales en el diagrama T-s y se asemejarían más al ciclo de Carnot . El ciclo Rankine que se muestra aquí evita que el fluido de trabajo alcance el estado de vapor sobrecalentado tras la expansión en la turbina, ^[1] lo que reduce la energía extraída por los condensadores.

El ciclo de potencia de vapor real difiere del ciclo Rankine ideal debido a las irreversibilidades inherentes a los componentes causadas por la fricción del fluido y la pérdida de calor al entorno; la fricción del fluido provoca caídas de presión en la caldera, el condensador y las tuberías entre los componentes, y como resultado el vapor sale de la caldera a una presión menor; la pérdida de calor reduce el trabajo neto producido, por lo que se requiere añadir calor al vapor en la caldera para mantener el mismo nivel de trabajo neto producido.

${\displaystyle \eta _{\text{termo}}}$define la eficiencia termodinámica del ciclo como la relación entre la potencia neta de salida y el calor de entrada. Dado que el trabajo requerido por la bomba suele ser alrededor del 1% del trabajo de salida de la turbina, se puede simplificar:

${\displaystyle \eta _{\text{therm}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}-{\dot {W}}_{\text{pump}}}{{\dot {Q}}_{\text{in}}}}\approx {\frac {{\dot {W}}_{\text{turb}}}{{\dot {Q}}_{\text{in}}}}}$

Cada una de las siguientes cuatro ecuaciones ^[1] se deriva del balance de energía y masa para un volumen de control.

${\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{en}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{2},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {Q}}_{\text{out}}}{\dot {m}}}=h_{4}-h_{1},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4},}$

Al analizar la eficiencia de las turbinas y bombas, es necesario ajustar las condiciones de trabajo:

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{\dot {m}}}=h_{2}-h_{1}\approx {\frac {v_{1}\Delta p}{\eta _{\text{bomba}}}}={\frac {v_{1}(p_{2}-p_{1})}{\eta _{\text{bomba}}}},}$

${\displaystyle {\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}\approx (h_{3}-h_{4})\eta _{\text{turbina}}.}$

En un ciclo real de una central eléctrica (el nombre "ciclo Rankine" se utiliza únicamente para el ciclo ideal), la compresión en la bomba y la expansión en la turbina no son isoentrópicas. En otras palabras, estos procesos son irreversibles y la entropía aumenta durante ambos. Esto incrementa la potencia requerida por la bomba y disminuye la potencia generada por la turbina. ^{[ 2 ]}

En particular, la eficiencia de la turbina de vapor se verá limitada por la formación de gotas de agua. Al condensarse el agua, estas gotas impactan las palas de la turbina a alta velocidad, provocando picaduras y erosión, lo que reduce gradualmente la vida útil de las palas y la eficiencia de la turbina. La forma más sencilla de solucionar este problema es sobrecalentar el vapor. En el diagrama T-s anterior, el estado 3 se encuentra en el límite de la región bifásica de vapor y agua, por lo que, tras la expansión, el vapor estará muy húmedo. Mediante el sobrecalentamiento, el estado 3 se desplazará hacia la derecha (y hacia arriba) en el diagrama, produciendo así un vapor más seco tras la expansión.

La eficiencia termodinámica global puede incrementarse elevando la temperatura media de entrada de calor.

${\displaystyle {\bar {T}}_{\text{in}}={\frac {\int _{2}^{3}T\,dQ}{Q_{\text{in}}}}}$

de ese ciclo. Aumentar la temperatura del vapor hasta la región de sobrecalentamiento es una forma sencilla de lograrlo. También existen variaciones del ciclo Rankine básico diseñadas para aumentar la eficiencia térmica del ciclo de esta manera; dos de ellas se describen a continuación.

Ciclo Rankine con recalentamiento

El objetivo de un ciclo de recalentamiento es eliminar la humedad que transporta el vapor en las etapas finales del proceso de expansión. En esta variante, dos turbinas funcionan en serie. La primera recibe vapor de la caldera a alta presión. Tras pasar por la primera turbina, el vapor vuelve a entrar en la caldera y se recalienta antes de pasar por una segunda turbina de menor presión. Las temperaturas de recalentamiento son muy cercanas o iguales a las de entrada, mientras que la presión óptima de recalentamiento necesaria es solo una cuarta parte de la presión original de la caldera. Entre otras ventajas, esto evita la condensación del vapor durante su expansión, reduciendo así el desgaste de los álabes de la turbina, y mejora la eficiencia del ciclo, ya que una mayor parte del flujo de calor hacia el ciclo se produce a mayor temperatura. El ciclo de recalentamiento se introdujo por primera vez en la década de 1920, pero no estuvo operativo durante mucho tiempo debido a dificultades técnicas. En la década de 1940, se reintrodujo con el aumento de la fabricación de calderas de alta presión , y finalmente, en la década de 1950, se introdujo el recalentamiento doble, con la idea de aumentar la temperatura promedio. Se observó que, por lo general, no son necesarias más de dos etapas de recalentamiento, ya que la siguiente etapa aumenta la eficiencia del ciclo solo a la mitad que la etapa anterior. Actualmente, el recalentamiento doble se utiliza comúnmente en centrales eléctricas que operan a presión supercrítica.

Ciclo de Rankine regenerativo

El ciclo Rankine regenerativo recibe este nombre porque, tras salir del condensador (posiblemente como líquido subenfriado ), el fluido de trabajo se calienta con vapor extraído de la parte caliente del ciclo. En el diagrama mostrado, el fluido en el punto 2 se mezcla con el fluido en el punto 4 (ambos a la misma presión) para obtener el líquido saturado en el punto 7. Esto se denomina «calentamiento por contacto directo». El ciclo Rankine regenerativo (con algunas variantes) se utiliza habitualmente en centrales eléctricas reales.

Otra variante consiste en enviar vapor de purga entre las etapas de la turbina a calentadores de agua de alimentación para precalentar el agua en su recorrido desde el condensador hasta la caldera. Estos calentadores no mezclan el vapor de entrada con el condensado, funcionan como un intercambiador de calor tubular convencional y se denominan "calentadores de agua de alimentación cerrados".

La regeneración aumenta la temperatura de entrada de calor del ciclo al eliminar la adición de calor proveniente de la caldera/fuente de combustible a las temperaturas relativamente bajas del agua de alimentación que existirían sin el calentamiento regenerativo del agua de alimentación. Esto mejora la eficiencia del ciclo, ya que una mayor parte del flujo de calor hacia el ciclo se produce a temperaturas más altas.

El ciclo Rankine orgánico (ORC) utiliza un fluido orgánico como el n-pentano ^{[ 3 ]} o el tolueno ^{[ 4 ]} en lugar de agua y vapor. Esto permite el uso de fuentes de calor de menor temperatura, como los estanques solares , que normalmente operan a unos 70-90  °C. ^{[ 5 ]} La eficiencia del ciclo es mucho menor como resultado del rango de temperatura más bajo, pero esto puede ser beneficioso debido al menor costo que implica la obtención de calor a esta temperatura más baja. Alternativamente, se pueden utilizar fluidos con puntos de ebullición superiores al del agua, lo que puede tener ventajas termodinámicas (véase, por ejemplo, la turbina de vapor de mercurio ). Las propiedades del fluido de trabajo real tienen una gran influencia en la calidad del vapor después de la etapa de expansión, influyendo en el diseño de todo el ciclo.

El ciclo Rankine no restringe el fluido de trabajo en su definición, por lo que el nombre "ciclo orgánico" es simplemente un concepto de marketing y el ciclo no debe considerarse como un ciclo termodinámico separado.

El ciclo Rankine aplicado mediante un fluido supercrítico ^{[ 6 ]} combina los conceptos de regeneración de calor y ciclo Rankine supercrítico en un proceso unificado denominado ciclo supercrítico regenerativo (RGSC). Está optimizado para fuentes de temperatura de 125 a 450  °C.

• Ciclo de Brayton
• Pérdida de potencia en modo de cogeneración con extracción de vapor

• ^ Van Wyllen 'Fundamentos de termodinámica' (ISBN) 85-212-0327-6)
• ^ Wong, «Termodinámica para ingenieros», 2.ª ed., 2012, CRC Press, Taylor & Francis, Boca Raton, Londres, Nueva York. (ISBN) 978-1-4398-4559-2)
• Moran y Shapiro 'Fundamentos de termodinámica de la ingeniería' ( ISBN) 0-471-27471-2)
• Termodinámica de la ingeniería (Wikibooks)