¿Qué es el ciclo Rankine, y cómo se lo define?

Ciclo ideal termodinámico de potencia, cuya finalidad es obtener un trabajo útil a partir de una fuente de calor. Su eficiencia está limitada por el equivalente ciclo de Carnot que opere entre los mismos rangos de temperatura y que obedece a la segunda ley de la Termodinámica. Su denominación hace referencia al físico, ingeniero y educador William John Macguorn Rankine (1820-1872), quien desarrolló este modelo en donde nació, Escocia.

Evelyn Maitee Marín | Sep. 2022
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD

El ciclo Rankines es de suma importancia, ya que este modelo es empleado como base para describir los ciclos termodinámicos de muchas centrales de potencia, tanto de fuentes no renovables, como las centrales termoeléctricas de carbón, de fuelóleo o las centrales nucleares; y también, los ciclos termodinámicos con fuentes renovables, tales como las centrales termosolares o las centrales geotérmicas.

En la imagen se muestra una central térmica. En la mayoría de estas centrales, se incorporan componentes como regeneradores, que tienen como finalidad incrementar la eficiencia del ciclo y mejorar su desempeño.

Componentes básicos del ciclo Rankine

Aunque el ciclo Rankine puede incorporar diversas mejoras y componentes, cuya finalidad es aumentar la eficiencia del ciclo; existen cuatro dispositivos básicos que se requieren para completar el circuito. Estos son:

• La bomba: es el componente encargado de incrementar la presión del fluido caloportador desde la presión mínima (presión de operación del condensador), hasta la presión máxima (presión de operación de la caldera). Las bombas solo pueden trabajar con sustancias en estado líquido y no con mezclas, y bajo consideraciones ideales, el proceso de compresión lo realizan de manera isentrópica, aunque en la realidad siempre existe un incremento de entropía durante la compresión.

• El condensador: es el sistema encargado de intercambiar calor con un reservorio a baja temperatura (pueden ser ríos, lagos u otras fuentes), con la finalidad de lograr un cambio de fase del vapor (o mezcla) a la salida de la turbina, hasta llevarlo a estado líquido antes de ingresar a la bomba. Usualmente se trata de un serpentín o tuberías por los cuales circula internamente el fluido de trabajo, y le transfiere calor al fluido empleado como medio de enfriamiento sin llegar a mezclarse con este. Idealmente, el condensador opera a presión constante, aunque en la práctica, se presentan ligeras caídas de presión durante el proceso de condensación.

• La caldera (o su equivalente): se trata del elemento o espacio donde tiene lugar la adición de calor al sistema, y esta fuente de calor puede provenir de diversos orígenes (quema de un combustible fósil, quema de biomasa, yacimientos geotérmicos, energía termosolar, o el calor generado durante la fisión nuclear). A la caldera debe ingresar el fluido a alta presión y esta se encarga de suministrarle el calor necesario para llevarlo a estado de vapor (o vapor sobrecalentado) antes de ser expandido en la turbina. Idealmente, las calderas operan a presión constante, aunque en la práctica se presentan caídas de presión durante el proceso de adición de calor.

• La turbina de vapor: en los ciclos termodinámicos, las turbinas cumplen la función inversa de las bombas, es decir, su objetivo es expandir el vapor a la salida de la caldera para llevarlo a una presión menor. Durante el proceso de expansión, el impacto de las partículas de vapor en los álabes de la turbina hace girar el eje del rotor produciendo energía mecánica, la cual, a su vez, se puede transformar en energía eléctrica al acoplarla con un generador. En condiciones ideales, el proceso de expansión en la turbina se lleva a cabo de manera isentrópica, pero debido a las irreversibilidades, ocurren incrementos de entalpía.

El ciclo Rankine elemental

Este ciclo, en su versión elemental, está conformado por cuatro procesos: dos isobáricos y dos isentrópicos, como se muestra en el esquema. El área encerrada dentro de los límites de los 4 estados representa el trabajo neto del ciclo (wneto), el cual está directamente relacionado con la eficiencia térmica del ciclo.

El proceso ideal que sigue el fluido de trabajo (puede ser agua u otra sustancia) es el siguiente:

La sustancia en estado líquido entra a la bomba donde se comprime hasta la presión de la caldera (estado 2). En la caldera, el líquido se calienta y cambia de fase, pasando de líquido a mezcla y luego a vapor. Si se continúa agregando calor más allá del estado de vapor saturado, la sustancia pasa a vapor sobrecalentado incrementando su temperatura (estado 3). Seguidamente, el vapor ingresa a la turbina para expandirse hasta llegar a la presión mínima (estado 4) e ingresar al condensador donde perderá calor para pasar de estado de vapor (o mezcla) a líquido (estado 4) completando el circuito.

Eficiencia del ciclo Rankine

La eficiencia térmica está relacionada con el área encerrada por la región delimitada por los 4 estados del ciclo, lo que significa que para un calor de entrada constante, cuanto mayor sea el trabajo neto, mayor es la eficiencia del ciclo. El trabajo nete (wneto) es la diferencia del trabajo generado por la turbina (wsalida) menos el trabajo consumido por la bomba (wentrada). Por otra parte, también se puede incrementar la eficiencia del ciclo, reduciendo la cantidad de calor que se debe suministrar en la caldera (qentrada), y una de las formas de lograrlo es incorporando en el ciclo calentadores (abiertos o cerrados), cuya función principal es precalentar el agua de alimentación (agua que entra a la caldera) mediante extracciones de vapor de la turbina; esto convertiría al circuito en un ciclo Rankine regenerativo.

En la última ecuación, la variable h representa la entalpía en cada estado, y los valores se obtienen de tablas de vapor del fluido de trabajo a partir de condiciones de presión y/o temperatura.

Las mejoras en el ciclo Rankine tienen como finalidad incrementar el área que representa el trabajo neto del ciclo o reducir el calor que suministra la caldera.

 
 
 
 
Por: Evelyn Maitee Marín. Ingeniera industrial con maestría en Ciencias aplicadas de Física y doctorado en Ciencias de la Educación. Profesora de la Universidad del Zulia.
Trabajo publicado en: Sep., 2022.
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