EVAP-3

EL CICLO DE RANKINE - TERMODINÁMICA

INTRODUCCIÓN

El ciclo de RANKINE es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. 
La idea básica de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador. Vamos a analizar en este tema las diferentes maneras de lograr este objetivo con el ciclo RANKINE.



OBJETIVOS:

*Estudiar el ciclo de Rankine.
*Comprender por qué sirve de base de funcionamiento todas las centrales térmicas.
*Demostrar al estudiante el funcionamiento del ciclo Rankine, para que tenga conocimiento de las importancia de dicho ciclo en nuestro carrera a futuro.

ALCANCE:

Dicha investigación aspira a dar una buena comprensión a los lectores acerca del ciclo de Rankine, y de su importancia en nuestra entorno. Con esta investigación podemos saber la importancia de todas la centrales térmicas y el uso que le podemos dar a estas para un futuro.

JUSTIFICACIÓN:

Dando a entender la importancia de este ciclo, poder centrarse en una mayor investigación a dicho ciclo, con el fin de lograr nuevas metas o mejoramientos.

MARCO TEÓRICO:

EL CICLO DE RANKINE


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 Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El ciclo rankine opera con vapor, y es utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.



La representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que se aparece una campana, llamada de cambio de fase. A la izquierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. Por ellos las isotermas son prácticamente verticales. A la derecha corresponde al estado de vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y por ello los isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales. Dentro de la campana, el fluido se esta evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino su evaporación.
El ciclo Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente dezplazable llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro pistón.

PROCESO DEL CICLO

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua. Mediante la quema de combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje. El vapor baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia el estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan  en una central térmica de vapor convencional.

ETAPAS - DIAGRAMA T-s DEL CICLO

El diagrama T-s de un ciclo rankine ideal está formado por cuatro procesos: Dos "ISOENTRÓPICOS" y dos "ISOBÁRICOS":

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una trubina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdida de carga.

Proceso 3-4: Comprensión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor depresión en caldera.

Proceso 4-1: Transmisión del calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tanto del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobre calentado. Este vapor sobre calentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).



FLUIDO IDEAL PARA UN CICLO RANKINE

Las principales características que debe tener un fluido para que pueda ser utilizado eficientemente en un ciclo de Rankine, son:

☻ Alto valor del calor latente de vaporización a la temperatura a que ocurre la vaporización.
☻ Bajo valor de la capacidad calorífica del líquida.
☻ Temperatura crítica superior a la temperatura de funcionamiento más alta.
☻ No tener un valor demasiado alto de presión de vapor a la máxima temperatura de funcionamiento.
☻ Tener un valor de presión de vapor superior a la presión atmosférica para las temperaturas inferiores de funcionamiento.
☻ Bajo valor del volumen específico a las temperaturas inferiores de funcionamiento.
☻ Estar en estado líquido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente.
☻ Poca variación de la Entropía con la presión.
☻ Alto valor de conductividad térmica.
☻ Ser  barato, estable, abundante, no inflamable, no explosivo, no corrosivo y no venenoso.

No existe una sustancia que cumpla todos los requisitos enumerados anteriormente. El agua es el fluido normalmente utilizado en los ciclos de potencia debido a que es barata abundante, aunque tiene un temperatura crítica baja,  una presión crítica alta y una baja presión de vapor a la temperatura de condensación y el liquido tiene una alta capacidad calorífica.

CICLOS

1. CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO
El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no solamente puede lograrse un ligero aumento de la eficiencia termodinámica de un ciclo de rankine, sino también una reducción del grado de condensación en las turbinas. El ciclo con recalentamiento en su forma más simple consiste en permitir que el vapor de la caldera inicialmente sobre calentado, se expande primero en una turbina de alta presión hasta una presión a a cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador y finalmente expandirlo hasta la presión de condensador en una turbina de baja presión, este ciclo se puede representar como se muestra en la figura.



2. CICLO DE RANKINE REGENERATIVO
En un ciclo de rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es enviado a la caldera donde se produce un calentamiento altamente irreversible. Precisamente la eficiencia del ciclo de rankine es menor que la del de carnot, fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de rankine. Lo anterior se puede hacer mediante el efecto regenerativo mostrando en la figura.



3. CICLO REAL DE RANKINE
Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos disipativos. En un ciclo más realista que el ciclo rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían exactactamente isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ellos generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentálpico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.



EXTRACCIÓN DE VAPOR

En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las dos corrientes que entran al calentador una proviene de una extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufre la expansión total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una bomba después del condensador para igualar la presión de la parte del vapor que ah sufrido la expansión completa a la de la extracción. En esta variación del ciclo Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a las instalación una bomba más y un mezclador de flujos.

ECUACIONES

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 básicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energía perdida.

VARIABLES









PROCEDIMIENTO Y RESULTADO:

1° Escribimos nuestra estructura en DEV C++


Compilando .....


2° Escribimos nuestras bases:


Compilando...


3° Escribimos los procesos matemáticos para obtener así resultado:






RESULTADOS:


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

**http://www.ecured.cu/index.php/Ciclo_de_Rankine
**http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine
**http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ciclo_de_rankine.html
**http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ciclo_de_rankine.html

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EVAP-3

EL CICLO DE RANKINE - TERMODINÁMICA

INTRODUCCIÓN

El ciclo de RANKINE es el ciclo ideal que sirve de base al funcionamiento de las centrales térmicas con turbinas de vapor, las cuales producen actualmente la mayor parte de la energía eléctrica que se consume en el mundo. La evolución de las centrales térmicas ha estado condicionada por la búsqueda de mejoras en el rendimiento térmico del ciclo termodinámico, ya que incluso pequeñas mejoras en el rendimiento significan grandes ahorros en los requerimientos del combustible. 
La idea básica de todas las modificaciones para incrementar el rendimiento de un ciclo de potencia es aumentar la temperatura promedio a la cual el calor se transfiere al fluido de trabajo en la caldera, o disminuir la temperatura promedio a la cual el fluido de trabajo cede calor al condensador. Vamos a analizar en este tema las diferentes maneras de lograr este objetivo con el ciclo RANKINE.



OBJETIVOS:

*Estudiar el ciclo de Rankine.
*Comprender por qué sirve de base de funcionamiento todas las centrales térmicas.
*Demostrar al estudiante el funcionamiento del ciclo Rankine, para que tenga conocimiento de las importancia de dicho ciclo en nuestro carrera a futuro.

ALCANCE:

Dicha investigación aspira a dar una buena comprensión a los lectores acerca del ciclo de Rankine, y de su importancia en nuestra entorno. Con esta investigación podemos saber la importancia de todas la centrales térmicas y el uso que le podemos dar a estas para un futuro.

JUSTIFICACIÓN:

Dando a entender la importancia de este ciclo, poder centrarse en una mayor investigación a dicho ciclo, con el fin de lograr nuevas metas o mejoramientos.

MARCO TEÓRICO:

EL CICLO DE RANKINE


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 Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. El ciclo rankine opera con vapor, y es utilizado en las centrales termoeléctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que se hace incidir sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y ser de nuevo introducido en la caldera.



La representación en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que se aparece una campana, llamada de cambio de fase. A la izquierda corresponde al estado líquido, en el que prácticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presión. Por ellos las isotermas son prácticamente verticales. A la derecha corresponde al estado de vapor, aquí el fluido se comporta como un gas, y por ello los isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales. Dentro de la campana, el fluido se esta evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino su evaporación.
El ciclo Rankine es en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto en el que se basaban las antiguas máquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente dezplazable llamado corredera que dirigía el vapor a un lado u otro pistón.

PROCESO DEL CICLO

El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua. Mediante la quema de combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje. El vapor baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia el estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan  en una central térmica de vapor convencional.

ETAPAS - DIAGRAMA T-s DEL CICLO

El diagrama T-s de un ciclo rankine ideal está formado por cuatro procesos: Dos "ISOENTRÓPICOS" y dos "ISOBÁRICOS":

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una trubina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdida de carga.

Proceso 3-4: Comprensión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor depresión en caldera.

Proceso 4-1: Transmisión del calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tanto del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobre calentado. Este vapor sobre calentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).



FLUIDO IDEAL PARA UN CICLO RANKINE

Las principales características que debe tener un fluido para que pueda ser utilizado eficientemente en un ciclo de Rankine, son:

☻ Alto valor del calor latente de vaporización a la temperatura a que ocurre la vaporización.
☻ Bajo valor de la capacidad calorífica del líquida.
☻ Temperatura crítica superior a la temperatura de funcionamiento más alta.
☻ No tener un valor demasiado alto de presión de vapor a la máxima temperatura de funcionamiento.
☻ Tener un valor de presión de vapor superior a la presión atmosférica para las temperaturas inferiores de funcionamiento.
☻ Bajo valor del volumen específico a las temperaturas inferiores de funcionamiento.
☻ Estar en estado líquido a la presión atmosférica y a la temperatura ambiente.
☻ Poca variación de la Entropía con la presión.
☻ Alto valor de conductividad térmica.
☻ Ser  barato, estable, abundante, no inflamable, no explosivo, no corrosivo y no venenoso.

No existe una sustancia que cumpla todos los requisitos enumerados anteriormente. El agua es el fluido normalmente utilizado en los ciclos de potencia debido a que es barata abundante, aunque tiene un temperatura crítica baja,  una presión crítica alta y una baja presión de vapor a la temperatura de condensación y el liquido tiene una alta capacidad calorífica.

CICLOS

1. CICLO DE RANKINE CON RECALENTAMIENTO
El recalentamiento es un procedimiento mediante el cual no solamente puede lograrse un ligero aumento de la eficiencia termodinámica de un ciclo de rankine, sino también una reducción del grado de condensación en las turbinas. El ciclo con recalentamiento en su forma más simple consiste en permitir que el vapor de la caldera inicialmente sobre calentado, se expande primero en una turbina de alta presión hasta una presión a a cual apenas comience la condensación, luego volver a calentar el vapor mediante un proceso a presión constante, en un equipo llamado recalentador y finalmente expandirlo hasta la presión de condensador en una turbina de baja presión, este ciclo se puede representar como se muestra en la figura.



2. CICLO DE RANKINE REGENERATIVO
En un ciclo de rankine el condensado a la temperatura existente en el condensador es enviado a la caldera donde se produce un calentamiento altamente irreversible. Precisamente la eficiencia del ciclo de rankine es menor que la del de carnot, fundamentalmente por estas irreversibilidades que se presentan en la caldera. Por lo tanto si el agua de alimentación a la caldera se puede calentar hasta la temperatura existente en la caldera, se eliminarían los efectos irreversibles del ciclo de rankine. Lo anterior se puede hacer mediante el efecto regenerativo mostrando en la figura.



3. CICLO REAL DE RANKINE
Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasiestático y sin efectos disipativos. En un ciclo más realista que el ciclo rankine ideal descrito, los procesos en la bomba y en la turbina no serían exactactamente isoentrópicos y el condensador y la caldera presentarían pérdidas de carga. Todo ellos generaría una reducción del rendimiento térmico del ciclo. El rendimiento isoentrópico de la turbina, que representa el grado de alejamiento de una turbina respecto al proceso ideal isoentrópico, jugaría un papel principal en las desviaciones al ciclo ideal y en la reducción del rendimiento. El rendimiento isoentálpico de la bomba y las pérdidas de carga en el condensador y la caldera tendrían una influencia mucho menor sobre la reducción de rendimiento del ciclo.



EXTRACCIÓN DE VAPOR

En esta variación se introduce un nuevo elemento al ciclo, un calentador abierto. Este elemento consiste en un intercambiador de calor por contacto directo en el cual se mezclan dos corrientes de agua para dar una corriente de temperatura intermedia. De las dos corrientes que entran al calentador una proviene de una extracción de vapor de la turbina y la otra del condensador (sufre la expansión total). Como las presiones en el calentador han de ser iguales, se añade una bomba después del condensador para igualar la presión de la parte del vapor que ah sufrido la expansión completa a la de la extracción. En esta variación del ciclo Rankine, encontramos ventajas respecto al ciclo simple como un aumento del rendimiento y una reducción del aporte de calor a la caldera. Pero por otro lado también encontraremos inconvenientes como una reducción de la potencia de la turbina y un aumento de la complejidad de la instalación, ya que añadiremos a las instalación una bomba más y un mezclador de flujos.

ECUACIONES

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 básicos de refrigerante y gasto de combustible respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad del ciclo y energía perdida.

VARIABLES









PROCEDIMIENTO Y RESULTADO:

1° Escribimos nuestra estructura en DEV C++


Compilando .....


2° Escribimos nuestras bases:


Compilando...


3° Escribimos los procesos matemáticos para obtener así resultado:






RESULTADOS:


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

**http://www.ecured.cu/index.php/Ciclo_de_Rankine
**http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Rankine
**http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ciclo_de_rankine.html
**http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/4750/4931/html/64_ciclo_de_rankine.html

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