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. Debe su nombre a su desarrollador,
el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine.
CICLO RANKINE IDEALEl ciclo Rankine, es el ciclo ideal para las centrales eléctricas de vapor. El
ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad interna y está
compuesto de los siguientes cuatro procesos (Figura 1):
1-2 Expansión isentrópica en una turbina
2-3 Rechazo de calor a presión constante en un condensador
3-4 Compresión isentrópica en una bomba
4-1 Adición de calor a presión constante en una caldera
INCREMENTO DE EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE
Para incrementar la eficiencia térmica de un ciclo de potencia se debe incrementar
la temperatura promedio a la que el calor se transfiere al fluido de
trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la que el calor
se rechaza del fluido de trabajo en el condensador. ideal simple. En la siguiente
figura se muestran los tres casos.
CICLO RANKINE IDEAL CON RECALENTAMIENTO La eficiencia del ciclo Rankine puede incrementarse también aumentando
la presión de operación en la caldera. Sin embargo, un aumento en la presión
de operación de la caldera origina un mayor grado de humedad en
los últimos pasos de la turbina. Este problema puede solucionarse haciendo
uso de recalentamiento, en donde el vapor a alta presión procedente de
la caldera se expande solo parcialmente en una parte de la turbina, para
volver a ser recalentado en la caldera. Posteriormente, el vapor retorna a
la turbina, en donde se expande hasta la presión del condensador.
En la siguiente figura se muestra el esquema y el diagrama del ciclo.
CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO
Un proceso de regeneración práctico en las centrales eléctricas de vapor
se logra con la extracción o “drenado” del vapor de la turbina en diversos
puntos. Este vapor, que podría producir más trabajo si se expande aún
más en la turbina, se utiliza en cambio para calentar el agua de alimentación.
El dispositivo donde el agua de alimentación se calienta mediante
regeneración se llama regenerador o calentador de agua de alimentación.
*Calentadores abiertos de agua de alimentaciónUn calentador abierto de agua de alimentación (o de contacto directo) es
básicamente una cámara de mezclado en la que el vapor extraído de la
turbina se mezcla con el agua de alimentación que sale de la bomba. En la
siguiente figuras se muestran un esquema de ciclo Rankine regenerativo
con calentador abierto.
*Calentadores cerrados de agua de alimentaciónOtro tipo de calentador de agua de alimentación frecuentemente utilizado
en las centrales eléctricas de vapor es el calentador cerrado de agua de
alimentación, en el cual el calor se transfiere del vapor extraído hacia el
agua de alimentación sin que suceda ninguna mezcla. Las dos corrientes
pueden estar a presiones diferentes, puesto que no se mezclan. A continuación
se muestra el esquema y diagrama del ciclo Rankine regenerativo
de calentador cerrado.
(a). La reducción de la presión de operación del condensador reduce automáticamente
la temperatura del vapor, y por lo tanto la temperatura a la
cual el calor es rechazado.
(b). El efecto del sobrecalentamiento representa un aumento en el trabajo
neto y un aumento en la entrada de calor. De este modo, tanto el trabajo
neto como la entrada de calor aumentan como resultado del sobrecalentamiento
del vapor a una temperatura más alta además disminuye el contenido
de humedad del vapor a la salida de la turbina.
(c). El aumento de presión de operación en la caldera, eleva automáticamente
la temperatura a la que sucede la ebullición. Esto eleva la temperatura
promedio a la cual se transfiere calor al vapor y de ese modo incrementa
la eficiencia térmica del ciclo.