REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL RAFAEL MARÍA BARALT

Ciclo Rankine

Ciclo Rankine

Definición

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 la

Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés

William John Macquorn Rankine.

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta presión sobrecalentado.

Importancia

La importancia del Ciclo Rankine radica principalmente en dos aspectos:

a. Se utiliza en la mayoría de las conversiones energéticas de la biomasa

b. Da una idea de la efectividad de la transformación en electricidad de la

biomasa

La utilización más eficiente de la biomasa consiste en la generación de

energía. Esta se puede llevar a cabo mediante diferentes procesos: combustión,

pirolisis y gasificación.

Las plantas de generación de energía a partir de biomasa operan siguiendo

un Ciclo Rankine, tecnología aplicada desde principio del siglo XX. En este caso la

biomasa se quema en una caldera y genera vapor a alta presión, a través de una

turbina produce electricidad.

Rendimiento térmico

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 másicos de refrigerante y gasto de combustible

respectivamente, así como el balance entrópico para poder sacar la irreversibilidad

del ciclo y energía perdida.

Ciclo Rankine con regeneración. (Representación del diagrama T-s)

Consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para

suministrar calor al fluido de trabajo (mediante calentadores), aumentado su

temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presión

determinada.

Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de

contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos.

Ciclo Rankine con Recalentamiento

Se desarrollo con el fin de sacar ventaja del incremento de la eficiencia con

presiones excesivas. En el ciclo con recalentamiento el vapor, no se expande por

completo en una sola etapa hasta la presión del condensador. Luego de

expandirse parcialmente, el vapor se extrae de la turbina de alta presión y se

recalienta a presión constante en el sistema caldera sobrecalentador. A

continuación, se le devuelve a la turbina de baja presión para su expansión

posterior hasta la presión de salida. Se puede considerar que la turbina está

constituida por dos etapas una de alta y otra de baja presión.

Ciclo Brayton. Turbinas de Gas

Ciclos termodinámicos de las turbinas de gas. (admision, compresion,

adicion de calor, Expansion, escape).

Este ciclo consta de compresión adiabatica, calentamiento a presión

constante y expansión adiabática. Debido a que los gases que se expanden están

más calientes el trabajo que puede obtenerse del proceso de expansión es mayor

que el de compresión; el trabajo neto del ciclo es la diferencia entre los dos. Si se

agrega un regenerador para recobrar el calor de escape de la turbina se mejora la

eficiencia. Añadiendo además de interenfriameiento en el compresor y

recalentamiento del fluido de trabajo, durante la expansión se incrementa la salida

de potencia para un tamaño dado de turbina de gas.

La eficiencia térmica del ciclo de Brayton depende principalmente de la

relación de presiones, la temperatura de admisión a la turbina y las perdidas

parásitas (en especial las eficiencias del compresor y de la turbina). En el caso

teórico de un aire estándar ideal sin perdidas internas se puede demostrar que la

eficiencia térmica depende solo de la relación de presiones en el compresor.

Para un ciclo real con perdidas, la eficiencia térmica depende también de la

entrada de temperatura a la turbina ya que una temperatura mayor significa un

incremento de trabajo útil y una reducción proporcionada en el efecto de las

pérdidas internas.

El ciclo real queda corto respecto al ciclo ideal debido a que las

propiedades reales del aire(k, cp) no son constantes sobre este intervalo de

temperaturas, y de manera importante por las perdidas internas, estas empiezan a

ser significativas arriba de 1367 K y llegan a ser serias a 1922 K.

Diagrama T-s del ciclo.

El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un

ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de

compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión

adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos

termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de

gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se

emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o

algún otro aprovechamiento –caso de las industrias de generación eléctrica y de

algunos motores terrestres o marinos, respectivamente–, hasta la generación de

un empuje en un aerorreactor.

Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en azul), en función de la entropía S y la temperatura T.