El ciclo de 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 se mueve entre una fuente de calor y un disipador de calor . El ciclo de Rankine lleva el nombre de William John Macquorn Rankine , un profesor erudito escocés en la Universidad de Glasgow .
La energía térmica se suministra al sistema a través de una caldera donde el fluido de trabajo (normalmente agua) se convierte a un estado gaseoso de alta presión (vapor) para hacer girar una turbina . Después de pasar por la turbina, se permite que el fluido se condense nuevamente a un estado líquido a medida que la energía térmica residual se rechaza antes de regresar a la caldera, completando el ciclo. Las pérdidas por fricción en todo el sistema a menudo se ignoran con el fin de simplificar los cálculos, ya que dichas pérdidas suelen ser mucho menos significativas que las pérdidas termodinámicas, especialmente en sistemas más grandes.
El ciclo de Rankine describe detalladamente el proceso mediante el cual las máquinas de vapor que se encuentran comúnmente en las plantas de generación de energía térmica aprovechan la energía térmica de un combustible u otra fuente de calor para generar electricidad. Las posibles fuentes de calor incluyen la combustión de combustibles fósiles como carbón , gas natural y petróleo , el uso de recursos extraídos para la fisión nuclear , combustibles renovables como la biomasa y el etanol y la captura de energía de fuentes naturales como la energía solar concentrada y la energía geotérmica . Los disipadores de calor comunes incluyen el aire ambiente sobre o alrededor de una instalación y cuerpos 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 el diferencial, más potencia mecánica se podrá extraer eficientemente de la energía térmica, 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 puede funcionar el ciclo es bastante pequeño. A partir de 2022, la mayoría de las centrales eléctricas supercríticas adoptarán una presión de entrada de vapor de 24,1 MPa y una temperatura de entrada de entre 538 °C y 566 °C, lo que da como resultado una eficiencia de la planta del 40 %. Sin embargo, si la presión se aumenta aún más a 31 MPa, la central eléctrica se denomina ultrasupercrítica y se puede aumentar la temperatura de entrada del vapor a 600 °C, logrando así una eficiencia térmica del 42 %. [1] Esta baja temperatura de entrada a la turbina de vapor (en comparación con una turbina de gas ) es la razón por la que el ciclo Rankine (vapor) se utiliza a menudo como ciclo de fondo [ se necesita aclaración ] para recuperar el calor que de otro modo se rechazaría en las centrales eléctricas de turbinas 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 funcionan en un circuito cerrado en el que se reutiliza el fluido de trabajo. El vapor de agua con gotas condensadas que a menudo se ven ondeando desde las centrales eléctricas es creado por los sistemas de enfriamiento (no directamente desde el ciclo de energía de circuito cerrado de Rankine). Este calor de "escape" está representado por la "Q salida " que fluye desde el lado inferior del ciclo que se muestra en el diagrama T-s a continuación. Las torres de enfriamiento funcionan como grandes intercambiadores de calor absorbiendo el calor latente de vaporización del fluido de trabajo y simultáneamente evaporando el agua de enfriamiento a la atmósfera.
Si bien se pueden usar muchas sustancias como fluido de trabajo, generalmente se elige el agua por su química simple, abundancia relativa, bajo costo y propiedades termodinámicas . Al condensar el vapor de trabajo en un líquido, la presión en la salida de la turbina se reduce y la energía requerida por la bomba de alimentación consume sólo del 1% al 3% de la potencia de salida de la turbina. Estos factores contribuyen a una mayor eficiencia del ciclo. El beneficio de esto se ve compensado por las bajas temperaturas del vapor admitido en la(s) turbina(s). Las turbinas de gas , por ejemplo, tienen temperaturas de entrada cercanas a los 1500 °C. Sin embargo, las eficiencias térmicas de las grandes centrales eléctricas de vapor y las grandes centrales modernas de turbinas de gas 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 isentrópicas: es decir, la bomba y la turbina no generarían entropía y, por 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 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, [1] lo que reduce la energía eliminada por los condensadores.
El ciclo de energía de vapor real difiere del ciclo Rankine ideal debido a las irreversibilidades en los componentes inherentes 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 más baja; La pérdida de calor reduce la producción neta de trabajo, por lo que se requiere la adición de calor al vapor en la caldera para mantener el mismo nivel de producción neta de trabajo.
define la eficiencia termodinámica del ciclo como la relación entre la producción neta de energía y la entrada de calor. Como el trabajo requerido por la bomba suele ser alrededor del 1% del trabajo producido por la turbina, se puede simplificar:
Cada una de las siguientes cuatro ecuaciones [1] se deriva del balance de energía y masa para un volumen de control.
Cuando se trata de eficiencias de las turbinas y bombas se debe hacer un ajuste a los plazos de trabajo:
En el ciclo real de una central eléctrica (el nombre de ciclo "Rankine" se utiliza sólo para el ciclo ideal), la compresión por la bomba y la expansión en la turbina no son isentrópicas. En otras palabras, estos procesos no son reversibles y la entropía aumenta durante los dos procesos. Esto aumenta algo la potencia requerida por la bomba y disminuye la potencia generada por la turbina. [2]
En particular, la eficiencia de la turbina de vapor estará limitada por la formación de gotas de agua. A medida que el agua se condensa, las gotas de agua golpean las palas de la turbina a alta velocidad, provocando picaduras y erosión, disminuyendo gradualmente la vida útil de las palas de la turbina y la eficiencia de la turbina. La forma más sencilla de solucionar este problema es sobrecalentando el vapor. En el diagrama T-s anterior, el estado 3 está en el límite de la región bifásica de vapor y agua, por lo que después de la expansión el vapor estará muy húmedo. Al sobrecalentarse, el estado 3 se moverá hacia la derecha (y hacia arriba) en el diagrama y, por lo tanto, producirá un vapor más seco después de la expansión.
La eficiencia termodinámica general se puede aumentar elevando la temperatura promedio de entrada de calor .
de ese ciclo. Aumentar la temperatura del vapor en la región de sobrecalentamiento es una forma sencilla de hacerlo. También existen variaciones del ciclo Rankine básico diseñadas para aumentar la eficiencia térmica del ciclo de esta manera; dos de ellos se describen a continuación.
El propósito de un ciclo de recalentamiento es eliminar la humedad transportada por el vapor en las etapas finales del proceso de expansión. En esta variación, dos turbinas funcionan en serie. El primero acepta vapor de la caldera a alta presión. Una vez que el vapor ha pasado por la primera turbina, 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 temperaturas de entrada, mientras que la presión de recalentamiento óptima necesaria es solo una cuarta parte de la presión original de la caldera. Entre otras ventajas, esto evita que el vapor se condense durante su expansión y, por lo tanto, reduce el daño en las palas de la turbina, y mejora la eficiencia del ciclo, porque una mayor parte del flujo de calor hacia el ciclo ocurre a mayor temperatura. El ciclo de recalentamiento se introdujo por primera vez en la década de 1920, pero no estuvo operativo por mucho tiempo debido a dificultades técnicas. En la década de 1940, se reintrodujo con la creciente fabricación de calderas de alta presión y, finalmente, en la década de 1950 se introdujo el doble recalentamiento. La idea detrás del doble recalentamiento es aumentar la temperatura promedio. Se observó que generalmente son innecesarias más de dos etapas de recalentamiento, ya que la siguiente etapa aumenta la eficiencia del ciclo sólo la mitad que la etapa anterior. Hoy en día, el doble recalentamiento se utiliza habitualmente en centrales eléctricas que funcionan bajo presión supercrítica.
El ciclo regenerativo de Rankine se llama así porque después de salir del condensador (posiblemente como un líquido subenfriado ), el fluido de trabajo se calienta mediante vapor extraído de la parte caliente del ciclo. En el diagrama que se muestra, el fluido en 2 se mezcla con el fluido en 4 (ambos a la misma presión) para terminar con el líquido saturado en 7. Esto se llama "calentamiento por contacto directo". El ciclo Rankine regenerativo (con variantes menores) se utiliza comúnmente en centrales eléctricas reales.
Otra variación envía vapor de purga entre las etapas de la turbina a los calentadores de agua de alimentación para precalentar el agua en su camino desde el condensador a la caldera. Estos calentadores no mezclan el vapor de entrada y el condensado, funcionan como un intercambiador de calor tubular ordinario 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 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 cantidad de calor fluye hacia el ciclo a mayor temperatura.
El ciclo orgánico de Rankine (ORC) utiliza un fluido orgánico como n-pentano [3] o tolueno [4] en lugar de agua y vapor. Esto permite el uso de fuentes de calor de menor temperatura, como estanques solares , que normalmente funcionan a entre 70 y 90 °C. [5] La eficiencia del ciclo es mucho menor como resultado del rango de temperatura más bajo, pero esto puede valer la pena debido al menor costo que implica recolectar calor a esta temperatura más baja. Alternativamente, se pueden usar fluidos que tengan puntos de ebullición superiores al agua, y esto puede tener beneficios termodinámicos (ver, por ejemplo, turbina de vapor de mercurio ). Las propiedades del fluido de trabajo real tienen una gran influencia en la calidad del vapor después del paso de expansión, influyendo en el diseño de todo el ciclo.
El ciclo de 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 de Rankine aplicado utilizando un fluido supercrítico [6] combina los conceptos de regeneración de calor y ciclo de Rankine supercrítico en un proceso unificado llamado ciclo supercrítico regenerativo (RGSC). Está optimizado para fuentes de temperatura de 125 a 450 °C.
