Resúmen CicloRankin

El ciclo Rankine
El rendimiento térmico de un ciclo de potencia se hace máximo si toda la energía

se suministra desde una fuente térmica hasta la máxima temperatura posible y toda
la energía se cede a un sumidero a la temperatura más baja posible. El ciclo de
motor térmico de Carnot es un ciclo teórico que reúne estas características y puede
resumirse en los enunciados siguientes:
1. Se comprime isoentrópicamente vapor de agua húmedo, que se encuentra
en el estado 1, hasta el estado 2 de líquido saturado.
2. A la presión alta del estado 2 se comunica calor a presión constante (y a
temperatura constante), hasta que el agua se encuentra como vapor
saturado en el estado 3.
3. A continuación, se expansiona isoentrópicamente el fluido en la turbina hasta
el estado 4.
4. El vapor húmedo que sale de la turbina se condensa parcialmente a presión
constante (y temperatura constante) hasta el estado 1, cediendo calor.
El rendimiento térmico del ciclo es, por supuesto, el más alto de los rendimientos de
los motores que trabajan entre las temperaturas 𝑇1 y 𝑇2 . Sin embargo, con fluidos
que experimentan cambios de fase, el modelo del motor térmico de Carnot no es
viable en la práctica.
Las objeciones del ciclo de potencia de vapor de Carnot pueden eliminarse
efectuando dos modificaciones. Primera, el proceso 4-1 se lleva a cabo de modo
que el vapor húmedo que sale de la turbina se condense por completo hasta el
estado de líquido saturado a la presión de salida de la turbina. El proceso de
compresión 1-2 se realiza ahora mediante una bomba de líquidos, que eleva
isoentrópicamente la presión de líquido que sale del condensador hasta la presión
deseada para el proceso 2-3. Segunda, durante el proceso 2-3 se sobrecalienta el
fluido hasta una temperatura 𝑇, que es con frecuencia superior a la temperatura
crítica. Este modelo de ciclo de planta de potencia de vapor recibe el nombre de
ciclo Rankine.
El calor recibido a temperatura constante en el ciclo de Carnot se ha sustituido en
el ciclo Rankine por calor recibido a presión constante con aumento de temperatura.
Después de que el vapor saturado sale de la caldera en el estado 3, pasa a través
de otra región donde recibe energía, llamada sobrecalentador. El proceso de
transferencia de calor o sobrecalentamiento conduce a temperaturas de entrada a
la turbina más altas, sin que aumente la presión máxima del ciclo. El otro punto
importante es que la calidad el estado 4 es más alta.
La ecuación de la energía aplicada a un proceso cíclico estacionario exige que el
calor neto que entra (o suministrado) sea igual al trabajo neto que sale. De ahí que
el trabajo neto que proporciona el ciclo esté representado por la diferencia de áreas
del calor que entra y el calor que sale.
̇
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜
El rendimiento térmico se define como 𝜂 = ̇
𝑄𝑠𝑢𝑚
• El trabajo isoentrópico de la bomba viene dado por 𝑊𝑏 = ℎ2 − ℎ1

• El calor suministrado por unidad de masa es 𝑞𝑠𝑢𝑚 = ℎ3 − ℎ2
• El trabajo isoentrópico de la turbina es 𝑊𝑡 = ℎ3 − ℎ4
El ciclo con recalentamiento

El rendimiento del ciclo Rankine ideal se puede aumentar utilizando una zona de
sobrecalentamiento. Este proceso eleva la temperatura media a la que el ciclo
recibe el calor, aumentando teóricamente el rendimiento. Elevando la presión de
caldera del ciclo se puede conseguir una ganancia equivalente en la temperatura
media del proceso de transferencia de calor. Sin embargo, para una temperatura
máxima determinada del generador de vapor, el aumento de la presión del
generador origina la disminución de la calidad del vapor de agua que sale de la
turbina. Para evitar el problema potencial de erosión de los álabes de turbina, y
seguir aprovechando las ventajas de conseguir una temperatura más alta
aumentando la presión de la caldera, se ha desarrollado el ciclo de recalentamiento.
En el ciclo con recalentamiento, el vapor de agua no se expande por completo en
una sola etapa hasta la presión del condensador. Tras expandirse parcialmente, el
vapor de agua se extrae de la turbina para su expansión posterior hasta la presión
de salida. Se puede considerar que la turbina está constituida por dos etapas, una
de presión alta y la otra de presión baja. El uso correcto del recalentamiento
eliminará el hecho indeseable del alto contenido en humedad a la salida de la
turbina, y también aumentará el rendimiento térmico.
Al calcular el rendimiento térmico de un ciclo con recalentamiento hay que
contabilizar el trabajo que sale, de ambas etapas, de presión alta y de presión baja,
de la turbina, así como el calor transferido en la zona de la caldera-sobrecalentador
y la zona de recalentamiento.
𝑊𝑇(𝑃𝑎𝑙𝑡𝑎) +𝑊𝑇(𝑃𝑏𝑎𝑗𝑎) −𝑊𝐵
El rendimiento térmico es igual a 𝜂 = 𝑞𝑐𝑎𝑙 +𝑞𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙
Ciclos de vapor binarios

A medida que la tecnología desarrolle materiales capaces de soportar temperaturas
más altas, puede resultar posible trabajar con ciclos Rankine a temperaturas por el
momento reservadas a los ciclos de potencia de gas. Como se ha destacado, la
gran desventaja del agua es su temperatura crítica. Cuando se utiliza una caldera,
el calor se le comunica al fluido a una temperatura constante y relativamente baja.
Esta temperatura que baja durante el suministro de calor podría evitarse
parcialmente empleando una sustancia con temperatura crítica mucho más alta.
Las propiedades de los metales alcalinos resultan bastante apropiadas para ciclos
Rankine a altas temperaturas. Los más prometedores son el potasio, el sodio y las
mezclas de ambos elementos. Además de lo adecuado de sus propiedades
termodinámicas, como la presión de vapor y la capacidad térmica, estas sustancias
poseen coeficientes se transferencia de calor razonablemente altos. Como
consecuencia, el tamaño de los cambiadores de calor se reduce de manera
significativa.
El uso de metales alcalinos en un ciclo Rankine a alta temperatura destinado a
aplicaciones espaciales ha renovado el interés por los ciclos de potencia de vapor
binarios. Un ciclo binario es aquel en el que el calor extraído durante el proceso se
cesión de calor de un ciclo de potencia se utiliza como calor que entra en otro ciclo
de potencia. Anteriormente se ha hecho notar que la temperatura de condensación
de un ciclo de potasio puede estar alrededor de los 600 °C. El calor extraído a esta
temperatura se puede suministrar a un ciclo Rankine que trabaje con vapor de agua
y ceda calor a la temperatura atmosférica. Como uno de los ciclos trabaja a
temperaturas superiores a las del otro, el ciclo de temperatura alta suele llamarse
frecuentemente ciclo superior.
El rendimiento térmico de un ciclo de potasio, para valores de temperatura y
rendimientos de turbina y bomba razonables, se encuentra entre el 20 y el 30 por
100. Cuando se emplea un ciclo de potasio como ciclo superior de un ciclo de vapor
de agua, el rendimiento térmico del ciclo binario en su conjunto puede estar entre el
50 y el 60 por 100. Un inconveniente del ciclo binario es su alto coste económico.
No obstante, esto se vuelve menos importante al aumentar los costes de
combustible.
Problema 16.12
Un ciclo Rankine ideal que produce 150 MW de potencia neta tiene unas
condiciones de entrada a la turbina para el vapor de 80 bar y 440 °C y una presión
en el condensador 0,080 bar. El agua de refrigeración del condensador aumenta su
temperatura 9,4 °C. Determínese (a) la calidad del vapor a la salida de la turbina,
(b) el rendimiento térmico, (c) el flujo másico de vapor necesario en kg/s, y (d) el
flujo volumétrico de agua de refrigeración que se necesita, en m 3/s, si el agua entra
a 18°C.

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