Ciclo RankineEl ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoelctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presin del vapor, que se hace incidir sobre los labes de una turbina, donde pierde presin produciendo energa cintica. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se lica, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentar la presin, y ser de nuevo introducido en la caldera. La representacin 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 aparece una campana, llamada de cambio de fase. A la izquierda corresponde al estado lquido, en el que prcticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presin. Por ello las isotermas son prcticamente verticales. A la derecha corresponde al estado vapor, aqu el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales. Dentro de la campana, el fluido se est evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es as porqu dada una presin, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporacin. El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas mquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que diriga el vapor a un lado u otro del pistn. Analicemos ms despacio las etapas del ciclo:En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor, por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo.En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo.La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica, con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina.La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo. Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el rea encerrada en el diagrama p-V. Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el rea del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo. Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 hacindolo pasar por la caldera y despus por otra turbina de baja presin.Tipos de ciclos Rankine Ciclo rankine simple:Elciclo de Rankinees unciclo termodinmicoque tiene como objetivo la conversin decalorentrabajo, constituyendo lo que se denomina unciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia est acotada por la eficiencia termodinmica de unciclo de Carnotque operase entre los mismos focos trmicos (lmite mximo que impone el Segundo Principio de la Termodinmica). Debe su nombre a su desarrollador, elingenieroyfsicoescocsWilliam John Macguorn Rankine.

Ciclo Rankine sobrecalentamiento La temperatura promedio a la que el calor es transferido hacia el vapor puede ser incrementada sin aumentar la presin de la caldera, gracias al sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas. El efecto del sobrecalentamiento en el desempeo de los ciclos de potencia de vapor se ilustra en un diagrama T-s. El rea sombreada en este diagrama representa el aumento en el trabajo neto, mientras que el rea total bajo la curva del proceso 3-3representa el 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 ms alta. Sin embargo, el efecto total es un incremento en la eficiencia trmica, porque aumenta la temperatura promedio a la cual se aade calor. El sobrecalentamiento del vapor a temperaturas ms altas tiene otro efecto muy conveniente: disminuye el contenido de humedad del vapor a la salida de la turbina, como se observa en el diagrama T-s (la calidad del estado 4es ms alta que la del estado 4).

Ciclo Rankine con Recalentamiento El ciclo Rankine con recalentamiento puede ayudar a elevar minimamente la eficiencia del ciclo, pero se usa para alargar el tiempo de vida de la turbina. Idealmente podramos usar una cantidad infinita de recalentamientos para continuar elevando la eficiencia pero en la practica solo se usan dos o tres, ya que la ganancia de trabajos es muy pequea.

Definicin TURBINA DE VAPOREs una turbomquina motora, capaz de transformar la energa de un flujo de vapor en energa mecnica a travs de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (vapor) y el rodete, estas a su vez estn presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre ellos el ms importante es el de ciclo Rankine el cual genera vapor en una caldera. A subes deben de cumplir con requisito del cliente en cuanto a su instalacin y operacin

Regulacion de las turbinas de vapor Existen diferentes sistemas de regulacion que son utilizadas en las turbinas de vapor, que influyen directamente co el desempeo de estas y estan relacionadas con la capacidad de mantener invariable la velocidad de rotacion , independientemente de la carga de trabajo a la cual estan sometidas. Estos se clasifican en: Regulacion en el control de la tobera Regulacion por estrangulamiento Regulacion po Bypass Sectores Empresas energticas Productores independientes de electricidad (IPP) Industria qumica Petroqumica/refineras Madereras, papeleras Minera, metalrgica y siderurgia, aceras Industria procesadora, cementera Industria azucarera, de etanol y de aceite de palma Industria de alimentos y bebidas

Campos de aplicacin Plantas de ciclo combinado Plantas de cogeneracin (electricidad y calor) Plantas de recuperacin de calor Centrales energticas de biomasa Plantas incineradoras de basura Centrales termo-solares Plantas geotrmicas Accionamientos mecnicos Barcos/plataformas martimasVentajas ms importantes Alto rendimiento, eficiencia Gran fiabilidad y disponibilidad Soluciones comprobadas a medida del cliente Diseo compacto Puesta en servicio y mantenimiento sencillosEficiencia de ciclo.En todo el estudio siempre consideraremos que las bombas y turbinas que constituyen la instalacin tienen una eficiencia o rendimiento del 60% y del 85%, respectivamente.como mejorar la eficiencia? sobrecalentar el vapor en la caldera implica subir la temperatura media TH y mejora la eficiencia, adems tiende a aumentar la calidad x4. Por tanto la eficiencia se determina.

La eficiencia de conversin de las centrales elctricas estadunidenses se expresa a menudo en trminos de la tasa trmica, que es la cantidad en BTU de calor suministrada para generar 1 KWh de electricidad.

ClasificacinLa clasificacin de las turbinas de vapor puede hacerse segn: La forma de aprovechamiento de la energa contenida en el flujo de vapor (reaccin o accin) Segn el nmero de etapas (multietapa o monoetapa) Segn la direccin del flujo de vapor (axiales o radiales) Turbina de vapor de reaccin: La energa mecnica se obtiene de la aceleracin del vapor en expansin. Cuentan con dos grupos de palas, unas mviles y las otras fijas. En la turbina de reaccin se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran cada de presin en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete.

-Turbina de vapor de accin: Una turbina de vapor de accin con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: Un distribuidor fijo, Una corona mvil. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a travs de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energa cintica del vapor en expansin, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que esta unida.

Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de mas simple construccin son las mas robustas y seguras, adems de acarrear menores costes de instalacin y mantenimiento que las multietapa.

Turbina multietapa: Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presin, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia.

Turbina de flujo axial: Es el mtodo mas utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.

Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.

Principios de funcionamiento El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinmico conocido como ciclo Rankine, a final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composicin inicial. Cuatro procesos se distinguen en un ciclo Rankine ideal.

1-2 Proceso de bombeo adiabtico y reversible.2-3 Transferencia de calor al fluido de trabajo en una caldera a presin constante3-4 Expansin adiabtica y reversible del fluido en la turbina.4-5 Transferencia de calor desde le fluido de trabajo a presin constante en el condensador.

Principio de funcionamiento de una turbina de vapor: Si los cambios en la energa cintica y potencial (presin y temperatura) del fluido de trabajo no son considerados, el calor transferido y el trabajo pueden representarse por areas en el diagrama.El rea comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calor transferido al fluido de trabajo, mientras que el rea comprendida por lo puntos a-1-4-b-a representa el calor transferido desde el sistema. El trabajo neto realizado esta representado por el rea comprendida por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo.

Esquema del ciclo bsico de las turbinas de vapor