Ciclo Rankine
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARÍA BARALT
Ciclo Rankine
Ciclo Rankine
Definición
El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo la
conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de
potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia está acotada por la
eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos
focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés
William John Macquorn Rankine.
El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.
Importancia
La importancia del Ciclo Rankine radica principalmente en dos aspectos:
a. Se utiliza en la mayoría de las conversiones energéticas de la biomasa
b. Da una idea de la efectividad de la transformación en electricidad de la
biomasa
La utilización más eficiente de la biomasa consiste en la generación de
energía. Esta se puede llevar a cabo mediante diferentes procesos: combustión,
pirolisis y gasificación.
Las plantas de generación de energía a partir de biomasa operan siguiendo
un Ciclo Rankine, tecnología aplicada desde principio del siglo XX. En este caso la
biomasa se quema en una caldera y genera vapor a alta presión, a través de una
turbina produce electricidad.
Rendimiento térmico
Cada una de las cuatro primeras ecuaciones se obtiene del balance de
energía y del balance de masa para un volumen de control. La quinta ecuación
describe la eficiencia termodinámica o rendimiento térmico del ciclo y se define
como la relación entre la potencia de salida con respecto a la potencia térmica de
entrada.
Se puede hacer un balance energético en el condensador y la caldera, lo
que nos permite conocer los flujos másicos de refrigerante y gasto de combustible
respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad
del ciclo y energía perdida.
Ciclo Rankine con regeneración. (Representación del diagrama T-s)
Consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para
suministrar calor al fluido de trabajo (mediante calentadores), aumentado su
temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presión
determinada.
Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de
contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos.
Ciclo Rankine con Recalentamiento
Se desarrollo con el fin de sacar ventaja del incremento de la eficiencia con
presiones excesivas. En el ciclo con recalentamiento el vapor, no se expande por
completo en una sola etapa hasta la presión del condensador. Luego de
expandirse parcialmente, el vapor se extrae de la turbina de alta presión y se
recalienta a presión constante en el sistema caldera sobrecalentador. A
continuación, se le devuelve a la turbina de baja presión para su expansión
posterior hasta la presión de salida. Se puede considerar que la turbina está
constituida por dos etapas una de alta y otra de baja presión.
Ciclo Brayton. Turbinas de Gas
Ciclos termodinámicos de las turbinas de gas. (admision, compresion,
adicion de calor, Expansion, escape).
Este ciclo consta de compresión adiabatica, calentamiento a presión
constante y expansión adiabática. Debido a que los gases que se expanden están
más calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansión es mayor
que el de compresión; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos. Si se
agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la
eficiencia. Añadiendo además de interenfriameiento en el compresor y
recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida
de potencia para un tamaño dado de turbina de gas.
La eficiencia térmica del ciclo de Brayton depende principalmente de la
relación de presiones, la temperatura de admisión a la turbina y las perdidas
parásitas (en especial las eficiencias del compresor y de la turbina). En el caso
teórico de un aire estándar ideal sin perdidas internas se puede demostrar que la
eficiencia térmica depende solo de la relación de presiones en el compresor.
Para un ciclo real con perdidas, la eficiencia térmica depende también de la
entrada de temperatura a la turbina ya que una temperatura mayor significa un
incremento de trabajo útil y una reducción proporcionada en el efecto de las
pérdidas internas.
El ciclo real queda corto respecto al ciclo ideal debido a que las
propiedades reales del aire(k, cp) no son constantes sobre este intervalo de
temperaturas, y de manera importante por las perdidas internas, estas empiezan a
ser significativas arriba de 1367 K y llegan a ser serias a 1922 K.
Diagrama T-s del ciclo.
El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un
ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de
compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión
adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos
termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de
gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se
emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o
algún otro aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y de
algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de
un empuje en un aerorreactor.
Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en azul), en función de la entropía S y la temperatura T.